久久久久久久999_99精品久久精品一区二区爱城_成人欧美一区二区三区在线播放_国产精品日本一区二区不卡视频_国产午夜视频_欧美精品在线观看免费

標題: 基于51單片機的開關(guān)電源 [打印本頁]

作者: 2155656656 時間: 2018-7-1 19:34
標題: 基于51單片機的開關(guān)電源

開關(guān)電源顧名思義，開關(guān)電源便是使用半導(dǎo)體開關(guān)器件（如晶體管、場效應(yīng)管、可控硅閘流管等），經(jīng)過控制電路，使半導(dǎo)體開關(guān)器件不停地“導(dǎo)通”和“關(guān)閉”，讓半導(dǎo)體開關(guān)器件對輸入的電壓進行脈沖調(diào)制，從而完成直流到交流、直流到直流電壓變換，和輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。

開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于直流交流逆變電源，或直流/直流電壓變換；后面兩種工作模式一般用在開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作式樣：直接輸出電壓的方式、平均值輸出電壓的方式、幅值輸出電壓的方式。同樣的，前一種工作方式經(jīng)常用在直流/交流逆變電源，或直流/直流電壓變換；后兩種工作模式經(jīng)常用于開關(guān)穩(wěn)壓電源

1.2.1國外研究現(xiàn)狀

上個世紀的50年代初，美國宇航局為了搭載火箭，開關(guān)電源誕生了，這便是開關(guān)電源誕生的起源，此開關(guān)電源以小型化、輕巧化為目標。在歷史進程中進行了近半個多世紀后，開關(guān)電源技術(shù)越來越成熟，更因具備了性能穩(wěn)定、小、發(fā)熱較低、輕、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點慢慢的在取代了傳統(tǒng)電源技術(shù)下所制造的不間斷工作電源，并在電子設(shè)備等各領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。最終在80年代，率先完成了大部分電子產(chǎn)品的電源換代，同時也完成了全面開關(guān)電源普及化。在到來的20世紀90年代，開關(guān)電源更是進入了快速發(fā)展的黃金時間，家電、電子設(shè)備都得到更廣泛的應(yīng)用。又經(jīng)歷了幾十年的努力下，現(xiàn)在的開關(guān)電源技術(shù)都有了技術(shù)性的重大突破與發(fā)展。更多新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與開發(fā)將當代開關(guān)電源又帶上了另一個全新的時期，在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用更是推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展，其中以其小型化、簡便化的特征尤為突出。

目前存在的問題

綜上所述，開關(guān)電源普遍存在以下四大方面的問題：

1）多數(shù)使用模擬IC控制，控制式樣不夠智能化；

2）不能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況；

3）多數(shù)開關(guān)電源為固定輸出；

4）可調(diào)的開關(guān)電源只能通過電位器模擬調(diào)整，不能直接得到準確的預(yù)設(shè)電壓。

1.3研究內(nèi)容和方式

為了設(shè)計一種更加智能化的開關(guān)電源，必須進行更深入的開關(guān)電源機理研究，下文字闡述了具體的研究內(nèi)容以及研究方法。

1.3.1研究方案

設(shè)計出一種基于STC系列51單片機的BUCK型直流降壓開關(guān)電源是本課題所要研究的主要內(nèi)容。本系統(tǒng)需要達到的預(yù)期目標是：在系統(tǒng)完成后，系統(tǒng)能預(yù)置電壓，其步進的電壓為1V，輸出的電壓的限度為0V~10V，輸出電流為0~1A。同時液晶顯示屏上可以顯示出所預(yù)置的電壓，另有實時的輸入輸出電壓，實時的電流，來使得本系統(tǒng)可以讓調(diào)整速度加快、提升精準度，同時也能使得電壓和負載的調(diào)整率降低，提升系統(tǒng)的效率，不在附加額外的電源板，最后還可以讓輸出的紋波變小等。

系統(tǒng)論述

直流/直流變換是將固有的直流電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)整的電壓，又叫做直流斬波。它有多種拓撲結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)應(yīng)用的是BUCK(降壓式變換電路)型直流/直流，其特征是輸出的電壓比輸出電壓低。如圖2-1所示。

圖2-1 BUCK電路拓撲

Buck工作原理

當Mos管或者三級管導(dǎo)通很長很長時間后，所有的元器件均處在一種理想狀態(tài)的情況下，此時電容的電壓會等于輸入的電壓。在這樣的條件下，我們使用BUCK變換器的充電和放電這兩個階段來對這個電路進行說明：

在電感充電的情況下

當BUCK變壓器處于充電的過程時，將開關(guān)閉合，此時三級管處于導(dǎo)通的狀態(tài)，可以用一條導(dǎo)線來替代，替代后的等效圖如下。當輸入的電壓經(jīng)過電感這時刻，二級管因為反接，所以沒起到作用，這里刪去。再加上輸入的是直流，因此電感發(fā)生的電感電流是成比率上升的，具體上升多少與電感的大小有關(guān)系，電感相當于一個恒定電流源，起傳遞能量作用，電容等于恒定電壓源，在電路里起到濾波的作用。BUCK變換器充電階段等效圖如圖2-2所示。

圖2-2 BUCK變換器充電階段等效圖

在電感放電的情況下

當BUCK變壓器處于放電的過程中，開關(guān)管子已經(jīng)斷開，此時的三級管處于截止狀態(tài)，這里把它拿掉，等效電路圖如下。在開關(guān)斷開的時間里，因為電感的保持電流不變特征，電感上的電感電流不會一下子下降到零，而是把充電完成后所累積的電流值慢慢下降到0。在這個過程中，因為原來的電路已經(jīng)斷開了，因此電感沿著之前的方向，經(jīng)過二極管D形成一個新的回路的，即流過電容對電容進行充電，從而保證了負載端獲得連續(xù)的不間斷的電流。BUCK變換器放電階段等效圖如圖2-3所示。

圖2-3 BUCK變換器放電階段等效圖

綜上所述，BUCK變換器的升壓過程便是電感能量儲存和釋放的過程。在充電的過程時。電感通過流過它自身的電流不斷儲存能量，在放電的過程時，假如電容容量足夠大，那電容的兩端就可以在放電的過程中保持一個持續(xù)不間斷的電流放電，假如這個通斷的過程不斷的被重復(fù)，那么就可以夠讓電容兩端的電壓低輸出的電壓，從而完成降壓的目的。

Buck波形分析

波形如下所示。

導(dǎo)通時Q電流

閉合時C電流

L的電流和輸出電流的關(guān)系：

輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系

Buck穩(wěn)壓分析

本設(shè)計采用串連型開關(guān)電源，其穩(wěn)壓原理框圖如圖2-4所示。在MOS管導(dǎo)通的時刻，電感L將流過的電流轉(zhuǎn)換成磁能進行能量儲存，電容C將流過電感L的部分電流轉(zhuǎn)換成電荷儲存。在MOS管關(guān)斷的時刻，電感L發(fā)生反向電動勢，輸送給負載R并與續(xù)流二極管D組成回路，同時電容C將電荷轉(zhuǎn)換成電流向負載供電。

經(jīng)過不斷導(dǎo)通與關(guān)斷MOS管，使uo發(fā)生脈動電壓，經(jīng)過LC濾波電路使脈動電壓轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定的直流電壓Uo輸送給負載，輸出電壓Uo的電壓值與MOS管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的時間成正比。當外部因素使輸出電壓或電流發(fā)生變化時，經(jīng)過單片機自帶的10位ADC實時采集輸出的電壓和電流，實時調(diào)整開關(guān)K導(dǎo)通的占空比，從而組成閉環(huán)電壓控制電路，使輸出電壓能達到穩(wěn)定。

圖2-4開關(guān)電源模塊穩(wěn)壓原理

LC濾波電路參數(shù)推導(dǎo)

采用輸入電壓25V，輸出電壓最大為10V，根據(jù)推導(dǎo)公式如式（2-1）所示：此中Ton為PWM一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間、Ui為輸入電壓、Uo為輸出電壓、Ud為肖特基二極管的電壓降（約等于0.6V）、Io為一個直流/直流模塊的輸出電流。

(2-1)

PWM的占空比為D:

(2-2)

代入數(shù)據(jù)后得到

(2-3)

一般而言，開關(guān)電源的頻率越高，電感的感量可以越小，效率也可以越高。此單片機能輸出的PWM最高頻率為47KHZ，所以本設(shè)計選擇讓單片機輸出47KHZ的PWM。那么f=47Khz導(dǎo)通時間Ton為

(2-4)

電感量L為：

(2-5)

因此將各參數(shù)代入式（2-5）得式（2-6）：

(2-6)

計算得到32uH電感，這里采用5倍以上余量，采用150uH的電感，可降低電感溫度。另外本設(shè)計采用銅線和磁芯做成的電感以增大電感的儲能能量提升供電的效率。

按照串連型開關(guān)電源的電容推導(dǎo)公式如式（2-7）所示，此中C為電容容量、Io為一個模塊個輸出電壓、△Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個周期的時間。

(2-7)

輸出電壓最大為10V，我們設(shè)定紋波電壓為0.1V,將各參數(shù)代入式（2-7）得式（2-8）結(jié)果：

(2-8)

本設(shè)計采用2個1000 的電容，達到降低紋波電壓的目的。

單片機

STC12C5A60S2單片機，在指令代碼的方面可以完全兼容傳統(tǒng)8051,同時它的速度比傳統(tǒng)的8051單片機要快8-12倍，體現(xiàn)了其高速度的一面。這系列單片機其里面有專用的集成復(fù)位電路，另有8路高速的10位ADC轉(zhuǎn)換，同時還兼有2路的PWM等，它的功能之強大遠超傳統(tǒng)的8051系列。

圖3-2 STC12C5A60S2單片機實物圖

IR2104半橋驅(qū)動電路

IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動式泵荷升壓原理。上電時，電源流過快恢復(fù)二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc，這時假如下管導(dǎo)通，C負級被拉低，形成充電回路，會很快充電至接近Vcc，當PWM波形翻轉(zhuǎn)時，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導(dǎo)通，C負極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時已超過Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會向電源倒流，C此時開始向芯片里面的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路供電，C上的端電壓被充至高于電源高壓的Vcc，只要上下管一直輪流導(dǎo)通和截止，C就會不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路供電，使上管打開的時刻，高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設(shè)計難道，只要電容C選擇恰當，該電路運行穩(wěn)定。IR2104應(yīng)用電路圖如3-3所示。

電路供電電源的選擇

線性降壓芯片7805。這個穩(wěn)壓IC需要的外圍元件很少，IC內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護措施，不但價廉且輸出電壓很穩(wěn)定。78系列的穩(wěn)壓集成塊要考慮輸出與輸入壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入輸出之間壓差要大于2V。其應(yīng)用電路圖如圖3-4所示。

圖3-4 7805應(yīng)用電路

電流檢測電路

方案一：霍爾電流傳感器。電流流過霍爾傳感器的線圈發(fā)生磁場，磁場隨電流的大小變化而變化，磁場匯集在磁環(huán)內(nèi)，霍爾元件輸出跟著磁場變化的電壓信號。經(jīng)過檢測電壓值，能得到電流的大小。

方案二：電阻分壓檢測電路。經(jīng)過在輸出回路中串連采樣電阻，將經(jīng)過電阻的電流轉(zhuǎn)換成兩端的電壓，經(jīng)過檢測電壓值從而獲得電流值。該檢測方式電路和程序控制都比較簡潔。

要完成對輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，務(wù)必對輸出電流和電壓進行采樣反饋。本設(shè)計采用如下圖所示的電流電壓檢測電路。為了便于MCU采集，分壓電阻發(fā)生的電壓經(jīng)過由LM358組成的同相比例放大器放大后，輸入到MCU的ADC端口。

LM358內(nèi)部集成的是雙運放，單電源和雙電源都能使其工作。

圖3-5 Lm358引腳圖及引腳功能

要完成對輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，務(wù)必對輸出電流經(jīng)過運放放大后進行采樣反饋。本設(shè)計采用如圖3-6所示的電流檢測電路。

圖3-6 電流檢測電路

輸出最大電流為2A。本設(shè)計采用電阻分壓的式樣對輸出的電壓進行實時檢測，因為采樣電壓直接輸送給單片機10位ADC進行檢測，單片機供電電源為5V，所以其內(nèi)部自帶的檢測的最高電壓也為5V，這個電路中，LM358由5V電壓供電，最大輸出電壓和供電電源電壓之前有1.2V壓差，所以能輸出最大電壓為：

(3-1)

2A電流經(jīng)過0.02Ω電阻得到的電壓為

(3-2)

該電壓要經(jīng)過放大后才能更容易被單片機檢測到，在這個應(yīng)用中運放的放大倍數(shù)應(yīng)該小于

(3-3)

這里選擇R12和R10為33K和1K，放大倍數(shù)為

(3-4)

因為 > , 符合設(shè)計要求。

即當電流為2A時，運放輸出電壓為：

(3-5)

電壓檢測電路

輸入電壓最大為10V，而單片機的采樣電壓最高位5V，故電壓采樣電阻比例應(yīng)該小于

(3-6)

這里取R1和R5是47K 和10K，

(3-7)

因為 1< 2,所以滿足條件。

當10V輸出時，單片機檢測到的電壓是，

(3-8)

電壓分壓檢測電路如圖3-7所示。

圖3-7 電壓檢測電路

按鍵電路

目前單按鍵這種模式的鍵盤使用方便，響應(yīng)的快并且接口還簡潔。綜合以上本系統(tǒng)采用的是非編碼式鍵盤。本系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用了3 個按鍵，按照軟件來定義它的功能，鍵盤與單片機的P2.3、P2.2、P2.1鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備。

S1為開關(guān)按鍵，按一下即有輸出，按第二下即輸出停止，如此循環(huán)

S2為輸出電流增加。

S3為輸出電壓減少。

如圖3-8所示

圖3-8 按鍵電路

液晶顯示模塊

系統(tǒng)采樣1602液晶顯示。液晶驅(qū)動電流較小，能顯示較大信息量，無需增外設(shè)電路。

能顯示多行數(shù)據(jù)，方便用戶進行更多的操作。

能顯示輸入輸出的實時電壓，輸出的實時電流，預(yù)設(shè)的輸出電壓。如圖3-9所示

圖3-9 1602液晶顯示

小結(jié)

綜上所述，本開關(guān)電源設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機發(fā)生47KHZ的PWM脈沖信號，經(jīng)過IR2104控制MOS，從而控制整個BUCK（降壓式變換）電路。單片機內(nèi)部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實時反饋電流和電壓數(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設(shè)置輸出電流從0.2A到2A，以0.01A遞增，輸出最大10V，液晶能顯示實時輸出電流與電壓。總體電路圖如3-10所示。

圖3-10 總體電路圖

作者: liu118 時間: 2018-8-25 09:24
為什么沒有任何圖片顯示呀？

作者: 未來～ 時間: 2018-9-22 15:18
什么都沒有？

作者: 一只羊 時間: 2019-7-23 09:32
圖呢？

歡迎光臨 (http://www.zg4o1577.cn/bbs/)