1 简介
近年来，随着电子技术的飞速发展，开关稳压电源作为一种理想的电源已被人们所采用。 然而，目前的开关稳压电源虽然体积小、效率高，但输出电压的纹波较大，难以保证输出电压的高稳定性。 为此，笔者设计了一种新型开关稳压电源。
1.1 选题背景介绍
电源技术，特别是数控电源技术，是服务于各行各业的实用性很强的工程技术。 电力电子技术是电能最好的应用技术之一。 随着数控电源在电子设备中的广泛使用，普通电源在运行过程中产生的误差会影响整个系统的精度。
单片机技术和电压转换模块的出现，为精密数控电源的发展提供了有利条件。 随着新的转换技术和控制理论的不断发展，各类专用集成电路和数字信号处理器件的开发和应用，到20世纪90年代，数控电源的数控精度达到0.05V，功率密度达到每立方英寸50W已经出现了。 数控电源。 从构成上看，数控电源可分为装置、主电路和控制三部分。 目前，在电力电子器件方面，几乎所有电压的调节都是通过旋钮开关来实现的。 调节精度不高，经常跳动，稳定性差。
电源采用数字控制，具有以下明显优点：
1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，功率模块更加智能化，性能更加完善。
2）控制灵活，系统易于升级。 甚至可以在不改变硬件电路的情况下在线修改控制算法。
3）控制系统可靠性提高，易于标准化。 统一的控制面板可用于不同的系统（或不同型号的产品），只需对控制软件进行一些调整。
4）系统易于维护。 一旦发生故障，可以通过RS232接口或RS485接口或USB接口轻松调试、故障查询、历史查询、故障诊断、软件修复，甚至控制参数在线修改和调试； 也可以通过MODEM进行远程操作。
5）系统一致性好，成本低，制造方便。 由于控制软件不像模拟设备那样有所不同，因此一致性非常好。 由于采用软件控制，控制面板的尺寸将大大减小，生产成本也将降低。
1.2 最小微控制器系统
² 单片机最小系统，或称最小应用系统，是指由最少的部件组成的能与单片机配合工作的系统。 对于51系列单片机来说，最小系统一般应包括：单片机、晶振电路、复位电路。 下面是51单片机的最小系统电路图（图1）：
图1
1、详细说明如下：
1）复位电路：
它由一个电容器与一个电阻器串联组成。 从图中和“电容电压不能突变”的性质我们可以知道，当系统上电时，RST引脚会出现高电平，这个高电平的持续时间是由系统的RC决定的。电路。 值来决定。 典型的51单片机当RST引脚的高电平持续超过两个机器周期时就会复位。 因此，适当的RC值组合可以保证可靠的复位。 一般教科书建议C为10u，R为10K。 原理是让RC组合在RST引脚上产生不少于2个机器周期的高电平。 至于如何进行具体的定量计算，可以参考电路分析相关的书籍。
2）晶振电路：
典型的晶振为11.0592MHz（因为它可以精确地获得9600波特率和19200波特率，这是在有串行通信的情况下使用的）/12MHz（产生精确的uS级间隔，以方便计时操作）。 在该电路中，取12M。
3）微控制器：
AT89S51/52 或其他 51 系列兼容微控制器。 对于引脚31（EA/Vpp），当接高电平时，单片机复位后从内部ROM的0000H开始执行； 当接低电平时，单片机复位后直接从外部ROM中的0000H开始执行。
AT89C51单片机共有40个引脚，其中2个用于电源（Vcc和GND），2个用于晶振，1个用于复位，1个用于EA/Vpp，还剩下34个引脚。 29 引脚 PSEN 和 30 引脚 ALE 对于外部扩展数据/程序存储器具有特定用途。 一般来说，不需要考虑它们。 这样一来，就只剩下32个引脚了。 他们是：
P0口P0.0-P0.7共8个；
P1口P1.0-P1.7共8个；
P2口P2.0-P2.7共8个；
P3口P3.0-P3.7共8个；
1.3 本项目所做的主要工作
本课题的主要工作：
² 稳压开关电源设计；
² DC-DC转换电路设计；
² 数码管显示电路设计；
² 软件设计。
2 开关稳压电源设计 2.1 开关稳压电源电路原理框图
稳压开关电源的电路框图如图1所示。
整流滤波电路采用单相全波桥式整流，输出电压高，变压器利用效率高，脉动小，交流分量小，可降低输出噪声纹波。 电路图如图2所示。
图2 整流滤波电路
为了实现5至20V的输出电压范围，采用软件和硬件的结合来处理生成的直流电压信号。 由于专用开关芯片TL 494可以辅助调节晶体管的开关脉冲占空比，效率较高，且外围电路比较简单，易于实现，故采用该芯片来实现。 原理图如图3所示。振荡频率的计算公式为：
f osc = 1.1/ (Rt·Ct)
2.2 DC-DC转换电路
恒频PWM（脉宽调制）通断时，通过将控制电压与锯齿波进行比较，产生控制开关管通断状态的控制信号，通过偏差值得到控制电压。 当放大后的偏差信号的电平高于锯齿波时，比较器输出高电平，导致开关管导通和关断。 当反馈电压高于TL 494参考电压时，片内误差放大器的输出电压升高，会导致外部晶体管T和TL 494内部两个晶体管的导通时间缩短，导致输出电压下降到基本等于参考电压，从而保持输出电压基本稳定。
为了实现过流保护，一般需要在电路中串联采样电阻，但这会影响电源的效率。 多用于小功率开关稳压器。 在大功率开关稳压器中，考虑到功耗，应尽量避免连接采样电阻。 因此，过流保护通常转化为过压、欠压保护。 过流保护电路原理图如图4所示，通过连接采样电阻将过流保护转换为过压保护，从而实现过流保护。
图4 过流保护电路
2.3 半桥功率变换器
该电源采用半桥变换电路，如图6所示。其工作频率为50kHz。 初级侧主要部件是Q4、Q5功率管和C34、C35电容。 Q4和Q5交替导通和截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生值为U1/2的正负方波脉冲电压。 能量通过变压器传输到输出端，Q4、Q5采用IRFP460功率MOS管。
2.4 电源变压器设计
1) 运行频率的设定
工作频率对电源的尺寸、重量和电路特性有很大影响。 当工作频率较高时，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增大，发热量增大，散热器体积增大。 因此，根据元器件和性价比等因素对电源的工作频率进行优化。 在此示例中，fs=50kHz。
T=1/fs=1/50kHz=20μs
2）磁芯的选择
①选择磁芯材料和磁芯结构
选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。 具有品种多、引线空间大、接线操作方便、价格低廉等优点。
②确定工作磁感应强度Bm
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度为Bs=0.47T。 考虑到高温时Bs会降低，同时为了防止高频变压器合闸瞬间饱和，选取Bm=1/3Bs=0.15T。
③计算确定核心模型
磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po之间存在一定的函数关系。 对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时，SQ=(1)
式中：η——效率；
j——电流密度，一般为300~500A/cm2；
Kc——磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1；
Ku——铜的填充系数。 Ku与线径、绕制工艺、绕制圈数有关。 一般为0.1～0.5左右。
各参数的单位为：Po—W、S—cm2、Q—cm2、Bm—T、fs—Hz、j—A/cm2。
取Po=640W，Ku=0.3，j=300A/cm2，η=0.8，Bm=0.15T，代入式（1）可得SQ===4.558cm4
根据厂家手册，EE55磁芯的S=3.54cm2，Q=3.1042cm2，则SQ=10.9cm4。 EE55磁芯的SQ值大于计算值，故选用该磁芯。
3）计算初级和次级绕组的匝数
根据最低输入电压和满输出负载（占空比最大时）计算初级和次级绕组的匝数。 可知Umin=176V，整流滤波后的直流输入电压Udmin=1.2×176=211.2V。
对于半桥电路，施加在电源变压器初级绕组上的电压等于输入电压的一半，即Upmin=Udmin/2=105.6V。 假设最大比例Dmax=0.9，则tonmax=×T×Dmax=×20×0.9 =9.0μs
Upmin×tonmax×104=105.6×9.0×10-6×104代入公式N1===8.9转
计算次级匝数时，取最大输出电压Uomax=16V。 次级电路采用全波整流，Us为次级绕组上的感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。 Uz为滤波电感及其他线路的压降，取0.3V，则Us===19.22VN2=×N1=×8.9=1.8匝
为了方便变压器绕制，将次级绕组取为2匝，将初级绕组修正为：N1=×N2=10匝
4）选择线径
选择绕组线径时，必须考虑导线的集肤效应。 一般要求线径小于穿透深度的两倍，穿透深度Δ由式（2）确定 Δ=（2）
式中：ω为角频率，ω=2πfs；
μ是导线的磁导率。 对于铜线的相对磁导率μr=1，则μ=μ0×μr=4π×10-7H/m；
γ为铜的电导率，γ=58×10-6Ωm；
穿透深度Δ的单位为m。
变压器的工作频率为50kHz。 在此频率下，铜线的穿透深度Δ=0.2956mm，因此绕组线径必须是直径小于0.59mm的铜线。 另外，考虑到铜线的电流密度一般为3~6A/mm2，故采用8股0.56mm漆包线并联，初级绕10匝，次级绕0.15mm厚扁铜带2圈。
2.5 数控部分
1）数控恒流装置的基本工作流程
在时钟脉冲的作用下，数模转换单元电路通过移位寄存器逐位读取从数据端输入的数据。 锁存脉冲将寄存器中的数据锁存到数模转换电路（DAC）中。 控制信号时序如下图2所示，在两个锁存脉冲之间的间隔输入8个时钟周期脉冲，锁存8位数字信号，完成D/A转换； 比较电路负责将D/A转换后的模拟信号与参考电源进行比较。 、反馈信号调节模拟信号等，从而通过功放电路实现IO的数控。
（图4）
