摘要

　　本開關(guān)電源設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機(jī)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(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實(shí)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(shí)時輸出電流與電壓。根據(jù)測試，滿載的供電效率為88%。按鍵設(shè)置的輸出電流的誤差小于0.01A。

　　關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，BUCK，STC單片機(jī)，IR2104，恒流源

　　MCU-based switching power supply design

　　Abstract

　　The switching power supply design uses STC12C5A60S2 microcontroller PWM pulse signal 47KHZ happen， after MOS driver IC IR2104 control the whole BUCK circuit. MCU comes with 10 internal ADC voltage detection current by real-time feedback current and voltage values， and thereby adjust the output PWM duty cycle， forming a voltage closed-loop control system. Button can set the output voltage from 0V to 10V limit of， 1V steps， the LCD can display real-time output voltage and current. 10W at the rated power output， full load power efficiency of 81%. Buttons to set the output voltage error is less than 0.1V.。

　　Key words： Switching power supply BUCK STC microcontroller IR2104 Adjustable output

　　目錄

　　1 前言 1

　　1.1課題研究意義 1

　　1.2研究現(xiàn)狀及存在問題 1

　　1.3研究內(nèi)容和方式 2

　　2系統(tǒng)分析 4

　　2.1 系統(tǒng)論述 4

　　2.2 Buck工作原理 4

　　2.3 Buck波形分析 5

　　2.4 Buck穩(wěn)壓分析 6

　　2.5小結(jié) 7

　　3硬件設(shè)計 8

　　3．1總統(tǒng)框架 8

　　3．2各部分電路的選擇 8

　　3．3小結(jié) 13

　　4軟件設(shè)計 14

　　4．1電壓電流雙閉環(huán)控制算法設(shè)計 14

　　4．2主程序程序設(shè)計 15

　　4．3按鍵子程序設(shè)計 15

　　4．4 ADC中斷程序 16

　　4．5 關(guān)鍵程序 17

　　5系統(tǒng)測試 19

　　5．1實(shí)物圖片 19

　　5．2電壓調(diào)整率測試 19

　　5.3 負(fù)載調(diào)整率測試 21

　　5.4 電路效率測試 22

　　6 總結(jié) 25

　　6．1結(jié)論 25

　　6．2創(chuàng)新點(diǎn) 25

　　6．3存在問題 25

　　致謝 26

　　參考文獻(xiàn) 27

　　附錄 28

　　附 C語言程序源代碼 28

　　1 前言

　　1.1課題研究意義

　　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(jìn)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］。

　　1.2研究現(xiàn)狀及存在問題

　　近半個世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者對開關(guān)電源進(jìn)行了很多的研究，取得了很多的成果。

　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀

　　上個世紀(jì)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(biāo)。在歷史進(jìn)程中進(jìn)行了近半個多世紀(jì)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(diǎn)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(jì)90年代，開關(guān)電源更是進(jìn)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(dāng)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。

　　1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　國內(nèi)學(xué)者有關(guān)開關(guān)電源的研究，有以下研究狀況：

　　伴跟著開關(guān)電源的誕生，1960年代初期，我國開始對開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行的設(shè)計，研制并加以生產(chǎn)。直到60年代中期才開始慢慢地進(jìn)入了實(shí)用的階段。在對開關(guān)電源有了一定認(rèn)識后，我國在70年代初期便試著開始對無工頻降壓變換器進(jìn)行深入研究應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓電源上，繼而對其進(jìn)行設(shè)計、研制和生產(chǎn)。最終在1974年，我國第一臺工頻降壓變壓器式的開關(guān)電源被研發(fā)出來了，輸出電流是5v，工作頻率是10KHz。跟著我國開關(guān)電源的向前發(fā)展，我國許多研究所、工廠等在近十年發(fā)展中也紛紛研制出來了無工頻降壓變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源，這種開關(guān)電源的工作頻率大概在20K左右，輸出的功率在1000W以下，但是其型號與用途眾多，都投入電子設(shè)備、電視機(jī)、通信等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的使用。跟著時期的發(fā)展，因?yàn)槲覈雽?dǎo)體與工藝跟不上時期的潮流，導(dǎo)致了自己生產(chǎn)與研制的開關(guān)穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵元器件大部分仍要經(jīng)過國外進(jìn)口，導(dǎo)致當(dāng)代開關(guān)電源技術(shù)與一些先進(jìn)國家相比仍存有巨大的差距。

　　1.2.3目前存在的問題

　　綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者研究的開關(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(zhǔn)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(jìn)行更深入的開關(guān)電源機(jī)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(jī)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(dá)到的預(yù)期目標(biāo)是：在系統(tǒng)完成后，系統(tǒng)能預(yù)置電壓，其步進(jìn)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(shí)時的輸入輸出電壓，實(shí)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(zhǔn)度，同時也能使得電壓和負(fù)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。

　　1.3.2內(nèi)容安排

　　1. 首先了解課題研究的意義，和國內(nèi)國外相關(guān)發(fā)展動態(tài)。

　　2. 大致的概述設(shè)計的開關(guān)電源的系統(tǒng)方案。

　　3. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括輸出電路，直流斬波電路，PWM發(fā)生電路，顯示電路設(shè)計等。

　　4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計，對應(yīng)用的編程軟件進(jìn)行流程圖講解，對所用方式進(jìn)行概述所。

　　5. 系統(tǒng)調(diào)試與測試，對做好的機(jī)開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)試與數(shù)據(jù)測試并對結(jié)果進(jìn)行分析。

　　6. 最后簡要的總結(jié)本系統(tǒng)設(shè)計的工作要點(diǎn)和所得收獲。