《自动化专业综合课程设计2》课程设计报告题目：开关电源设计与制作院（系）：机电与自动化学院专业班级：自动化0803学生姓名：**学号：***********指导教师：**2011年11月14日至2011年12月2日华中科技大学武昌分校制目录1．开关电源简介 (2)1.1开关电源概述 (2)1.2开关电源的分类 (3)1.3开关电源特点 (4)1.4开关电源的条件 (4)1.5开关电源发展趋势 (4)2．课程设计目的 (5)3．课程设计题目描述和要求 (5)4．课程设计报告内容 (5)4.1开关电源基本结构 (5)4.2系统总体电路框架 (6)4.3变换电路的选择 (6)4.4控制方案 (7)4.5控制器的选择 (8)4.5.1 C8051F020的内核 (8)4.5.2片内存储器 (8)4.5.312位模/数转换器 (9)4.5.4 单片机初始化程序 (9)4.6 输出采样电路 (10)4.6.1 信号调节电路 (10)4.6.2 信号的采样 (11)4.6.3 ADC 的工作方式 (11)4.6.4 ADC的程序 (12)4.7 显示电路 (13)4.7.1 显示方案 (13)4.7.2 显示程序 (14)5．总结 (16)参考文献 (17)1．开关电源简介1.1开关电源概述开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种对参数的要求。

这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。

广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPower Supply)。

将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。

根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC 转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。

降压型DC-DC 开关电源属于非隔离式的。

降压型DC-DC转换器主电路图如1：图1 降压型DC-DC转换器主电路其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。

驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。

负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。

至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。

当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。

负载电压的平均值为：（1）式中，ton 为VT 处于导通的时间，toff 为VT 处于关断的时间；T 为开关管控制信号的周期，即ton+toff ；α为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。

从该式可以看出，，占空比最大为1，若减小占空比，该电路输出电压总是低于输入电压，因此将其称为降压型DC-DC 转换器。

负载电流的平均值为（式2）：（2）若负载中电感值较小，则在VT 管断后，负载电流会在一个周期内衰减为零，出现负载电流断续的情况。

1.2开关电源的分类开关电源的结构形式很多，按PWM 方式来分有以下几种。

（1）反激式变换器所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。

如果变压器的初级上端为正，则次级上端为负。

反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出，所以得到了广泛应用。

但是在次级输出的电压中，有较大的纹波电压。

为了解决这一问题，只有加大输出虑波电容和电感，但这样做的结果是增大了电源的体积。

（2）反激式双晶体管变换器开关电源的功率在200W 以上，不宜采用单管反激式电路，这时可以利用反激式双晶体管结构，两管可用双极型晶体管或长效应管。

其中场效应管特别适用，无论是固定频率，可变频率，完全和不完全能量传递方式，用场效应管代替双极型晶体管是首选方案。

（3）正激式变换器正激式变换器纯粹是个隔离元件，它是利用电感L 储能及传递电能的。

变压器的初级和次级线圈是相同的同名端，由于电感L 的存在，它的电感折算到初级，使初级电感增大，而电流却减小。

正激式变换器的优点是铜耗低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率较低。

它适用于低电压，大电流的开关电源，多用于150W 以下的小功率场合。

它还具有多台电源并联使用而互不影响的特点，而且可以自动均很，而反激式却做不到这点。

in on in off on on in o U T t U t t t U U α==+=R U I o o =（4）正激式双晶体管变换器正激式双晶体管是在单管正激式的电路上再串接一只三极管而组成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。

安全可靠是最大的效益，所以，双管正激式变换器得到了广泛应用。

（5）半桥式变换器为了减小开关三极管的电压应力，可以采用半桥式变换器，它是离线式开关电源较好的拓扑结构。

（6）桥式变换器（7）推挽式变换器推挽式变换器的电路比较复杂，尤其是变压器的初级和次级都需要两个绕组，但是它的利用率高，效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦级的开关电源中。

（8）RCC变换器RCC变换器是节流式阻尼变换器，是一种自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而变化。

因此，在高功率、大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W以下的小功率场合。

但是其电路简单，成本低，制作、调试容易，因此，有一定的应用价值。

1.3开关电源特点（1）节能（效率一般可达85%以上）；（2）体积小，重量轻；（3）具有各种保护功能；（4）改变输出电流、电压容易，稳定，可控1.4开关电源的条件开关电源的条件有三个：（1）.开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状；（2）.高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；（3）.直流：开关电源输出的是直流而不是交流。

1.5技术追求和发展趋势开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。

在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。

因此，高频化是开关电源的主要发展方向。

（2）高可靠性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。

这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。

（3）低噪声——开关电源的缺点之一是噪声大。

单纯地追求高频化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。

所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

（4）采用计算机辅助设计和控制——采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。

在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。

2．课程设计目的（1）熟练掌握选用芯片各引脚的功能及控制原理（2）理解设计的开关电源整体工作原理3．课程设计题目描述和要求（1）设计和制作12V,15V,24V,36V中任一种开关电源并利用单片机检测显示电压。

（2）采用隔离或非隔离变换电路。

（3）采用TOP或PWM芯片实现。

4．课程设计报告内容4.1开关电源基本结构第一类：变换电路（图2）：含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。

（如：正激、反激电路）图2 变换电路输入电路的作用：（1）线性滤波电路抑制谐波和噪声（2）浪涌滤波电路抑制来自电网的浪涌电流控制电路：向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。

TOP 芯片（ TOPSwitch-Ⅱ）（图3）图3 TOP 芯片TOPSwitch-Ⅱ的三个管脚分别为控制端C （CONTROL ）、源极S （SOURCE ）、漏极D （DRAIN ）。

第二类：开关稳压电源（如图4）图4 开关稳压电源4.2.系统总体电路框架图5 系统总体电路4.3变换电路的选择Boost 升压电路是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。

（如图6）调试时应注意:220V 输入AC/DC 变换DC/DC 变换PFC 控制液晶显示输出CPU 键盘设定功率因数检测Uo（1）不能开路—必须有一定负载（2）容易烧坏开关管—控制问题图6 Boost升压电路4.4控制方案UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专门用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。

其主要优点是电压调整率可以达到0.01%，工作频率高达500 kHz，启动电流小于1 mA，外围元件少。

它适合做20 W～80 W的小型开关电源。

其工作温度为0 ℃～70℃，最高输入电压30 V，最大输出电流1 A，能驱动双极型功率管和MOSFET。

UC3842采用DIP-8形式封装。

其内部结构框图和各引脚的功能见有关手册。

UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可调制方式，共有8个引脚(图8.1)，各引脚功能如下：①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率有外接的阻容时间常数决定，f=1.72/RTCT；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。

图7 UC3842典型应用图8 UC3842引脚图图9 UC3842应用图此电路结构简单，容易布线，成本低。

但是，UC3842的采样电压不是从输出端取到的，输出电压稳压精度不高，只适合于用在负载较小的场合。