摘 要

在各种电力电子设备中，开关电源都发挥着不可替代的作用。完整的开关电源由输入电路、开关变换器、变压器、输出电路、控制电路、辅助电路等构成，它将输入的交流电压转变成所需的高品质直流电压。将单片机控制技术同传统开关电源相结合，利用单片机控制电源输出电压，并能实现键盘设定输出、输出值步进、液晶实时显示、计算机远程操作等功能，这就是程控开关稳压电源。

程控开关稳压电源体积小，重量轻，易携带；电路简单，效率高，功率密度高；响应快，稳压精度高，可远程操控，而且成本低，因此越来越广泛地应用于电力电子、电气设备、医疗卫生、家电、通信、军工等领域。

本文对程控开关稳压电源进行了系统研究，分析了目前国内外开关电源发展现状，介绍了未来开关电源的发展方向；介绍了DC/DC变换器的不同拓扑结构，及其各自的原理和特性；分析了电源控制电路的不同设计思路与方法。选择了合理的设计方案。整个电源的主电路设计包括输入滤波电路、整流滤波电路、Boost升压斩波电路、输出滤波电路和IR2110为核心的MOSFET驱动电路。控制电路设计包括以PWM芯片TL494为核心的PWM电路、模数转换器ADC0809的A/D转换电路、数模转换器DAC0832的D/A转换电路、单片机AT89C51的外围电路、CD4017构成的四分频电路、液晶LCD1602的外围电路等。反馈电路主要有电流采样电路、电压采样电路、运放LM358构成的信号放大电路等。同时电流采样电路和LM358信号放大电路、LM358过流比较电路、PWM芯片TL494共同组成了过流保护电路。辅助电路有ICL7660构成的电压反转电路等。文中对各个电路设计思路、工作原理均进行了详细说明，所用到的芯片均做简要介绍，部分电路进行了计算。在文章的最后进行了软件设计，得到了单片机程序，并做有必要的备注。

关键词：程控，开关电源，PWM，单片机

Abstract

     In a variety of power electronic equipment, switching power supply has played an irreplaceable role. The complete switching power supply consists of input circuit, switching converter, transformer, output circuit, control circuit, auxiliary circuit and so on, it will enter the AC voltage into the required high-quality DC voltage. The single-chip control technology combined with the traditional switching power supply, the use of single-chip control power output voltage, and can achieve the keyboard set output, output value step, LCD real-time display, computer remote operation and other functions, which is programmable switching power supply.

Programmable switching power supply is small, light weight, easy to carry; circuit is simple, high efficiency, high power density; fast response, high precision regulator, remote control, and low cost, so more and more widely used in power electronics , Electrical equipment, medical and health, home appliances, communications, military and other fields.

    This paper systematically studies the current situation of switching power supply at home and abroad, introduces the future development direction of switching power supply, introduces the different topologies of DC/DC converters, and their respective principles and characteristics The different design ideas and methods of power control circuit are analyzed. Choose a reasonable design. The main circuit of the entire power supply design includes input filter circuit, rectifier filter circuit, Boost boost chopper circuit, output filter circuit and IR2110 as the core of the MOSFET driver circuit. Control circuit design includes PWM chip TL494 as the core of the PWM circuit, ADC converter ADC0809 A/D conversion circuit, digital-analog converter DAC0832 D/A conversion circuit, microcontroller AT89C51 peripheral circuit, CD4017 constitute the four-way A circuit, a peripheral circuit of the liquid crystal LCD 1602, and the like. Feedback circuit mainly has current sampling circuit, voltage sampling circuit, op amp LM358 constitute the signal amplifier circuit. At the same time current sampling circuit and LM358 signal amplifier circuit, LM358 over-current comparison circuit, PWM chip TL494 together constitute the over-current protection circuit. Auxiliary circuit ICL7660 constitute a voltage reversal circuit. The text of the circuit design ideas, the working principle are described in detail, the chips used to do a brief introduction, part of the circuit were calculated. At the end of the article the software was designed to get the microcontroller program and make the necessary notes.

Keywords: program control, switching power supply, PWM, SCM

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本次设计的目的及意义 1

1.2 开关电源发展现状 1

1.2.1 国外开关电源发展现状 1

1.2.2 国内开关电源发展现状 2

1.3 开关电源发展前景 2

1.3.1 高频化和小型化 2

1.3.2 高效率和高功率密度 3

1.3.3 数字化和标准化 4

1.4 本文的安排 4

第2章 程控稳压电源原理及方案选择 6

2.1 开关电源的原理 6

2.2 直接直流变流变换器 8

2.2.1 降压斩波电路 8

2.2.2 升压斩波电路 9

2.2.3 升降压斩波电路 11

2.3 开关电源的控制方式 12

2.4 设计方案总结 13

2.5 本章小结 14

第3章 主电路设计 15

3.1 输入级电路设计 15

3.1.1 输入级整流电路 15

3.1.2 输入级滤波电路 17

3.1.3 整流桥输出滤波电路 19

3.2 Boost变流电路设计 22

3.2.1 电容参数计算及选型 23

3.2.2 电感参数计算及选型 23

3.2.3 功率二极管的选型 24

3.2.4 MOSFET的选型 24

3.2.5 MOSFET驱动电路设计 25

3.3 输出级电路设计 26

3.4 本章小结 26

第4章 控制电路设计 28

4.1 TL494控制电路的设计 28

4.1.1 TL494介绍 28

4.1.2 TL494外围电路设计 30

4.1.3 反馈电路的设计 31

4.1.4 过流保护电路设计 34

4.2 AT89C51单片机电路设计 36

4.2.1 AT89C51介绍 36

4.2.2 AT89C51最小系统设计 36

4.3 ADC0809与单片机的连接 37

4.3.1 ADC0809介绍 37

4.3.2 ADC0809的时钟信号设计 38

4.3.3 ADC0809与单片机连接 39

4.4 DAC0832与单片机的连接 40

4.4.1 DAC0832介绍 40

4.4.2 DAC0832输出电压计算 41

4.4.3 DAC0832与单片机连接 42

4.5 LCD1602与单片机连接 43

4.5.1 LCD1602简介 43

4.5.2 LCD1602与单片机的连接 44

4.6 辅助电路的设计 44

4.7 本章小结 47

第5章 电源的仿真研究 48

5.1 Multisim介绍 48

5.2 输入整流滤波电路的仿真 48

5.3 Boost变换器的仿真 51

5.4 反馈与保护电路的仿真 53

5.5 TL494电路的仿真 57

5.6 CD4017四分频电路的仿真 59

5.7 本章小结 60

第6章 总结 61

参考文献 62

致谢 63

第1章 绪论

1.1 本次设计的目的及意义

利用现代电力电子科技，通过对开关器件导通关断时间比的控制，维持输出稳定，这就是开关电源。开关电源效率高、功率密度高、可靠性强，已经广泛地应用于现代电子系统内。而将传统的开关电源同单片机控制技术相结合，便得到了程控开关电源。

程控开关电源具有体积小、重量轻、易携带、电路设计简单、功耗低、可靠性高、经济性强等优点。此外，程控开关电源同普通开关电源相比稳压精度、响应速度、控制性都有着极大优势。利用微机控制，程控电源实现了软启动、软停止，从而避免了对仪表的冲击和损坏；还能利用计算机远程控制，自动化程度高。充分发挥了程控优点、智能化水平高的程控开关电源是未来电源技术发展的趋势。

本次设计就是要将传统的开关电源与单片机控制结合起来，通过单片机控制电路取代开关电源原本的控制和反馈电路，以达到缩小电源体积，降低电源功耗，提升电源性能，提高电源智能化水平的目的。目前电力电子领域内已经着重绿色环保的设计理念，由于开关电源在电子市场中应用十分广泛，尤其是在机械机电制造业、医疗卫生行业、信息产业、服装纺织业、安全防护业和军工设备行业有着大规模运用，因此通过开发和设计实用的程控开关电源，将极大地降低开关电源对原材料的需求量。缩减电源体积降低其成本的同时，也为拓宽了开关电源能发挥作用的场合；程控开关电源功耗低，噪音小，可远程计算机控制的特点不仅由于其巨大的数量对节能和环境保护有着重要意义，而且在航空航天、无人深潜、遥感技术等尖端产业有巨大的用武之地。

1.2 开关电源发展现状

1.2.1 国外开关电源发展现状

人类制造的第一个开关电源诞生于20世纪50年代，美国宇航局为了“阿波罗计划”需要制造一种重量轻小型化的电源，开关电源应运而生。经过了70多年的发展，开关电源已经广泛应用于电力电子制造业，并淘汰了传统的相控稳压电源。随着步入21世纪，开关电源也跟着时代的潮流越发趋于小型化和模块化，集成程度也越来越高。

最近30年，国外开关电源的发展趋势主要有两个，第一是利用集成化的控制电路来控制开关电源。1977年首个PWM控制器集成电路诞生后，Motorola、Sihicon General、Unitrode等美国公司以其为技术基础，迅速推出了一大批PWM集成芯片。最近的几年，支持的极限频率高达1MHz的PWM/PFM芯片也相继研制成功。第二个发展趋势是将小功率开关电源直接单片集成化。世界上第一个三端隔离式脉宽调制单片开关电源于1994年诞生于美国，开发它的是美国电源集成公司Power Integrations^[1]。时隔不久该公司就又先后推出了TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。而走在国际电子设备开发尖端的意法半导体公司也不甘示弱，旗下的VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等小功率单片开关电源也在世界范围内占有较大市场。时至今日，单片开关电源已发展出了数百种产品，包含于十几个系列。自从登月计划诞生的第一个开关电源以来，这种轻便易携带、高效率低功耗的电源就始终具有强大的生命力。目前国际上衡量一个国家电源技术的重要指标就是该国程控开关电源的发展情况。每当一个新的集成单片电源诞生，都会引起全世界电源界的瞩目。目前在国际上使用单片开关电源构造和开发中小功率开关电源、模块化电源、精密电源已成为公认。

1.2.2 国内开关电源发展现状