基于单片机的恒流开关电源

　　摘要

　　本开关电源设计采用STC12C5A60S2单片机发生47KHZ的PWM脉冲信号，经过IR2104控制MOS，从而控制整个BUCK（降压式变换）电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电流电压闭环控制系统。按键能设置输出电流从0.2A到2A，以0.01A递增，输出最大10V，液晶能显示实时输出电流与电压。根据测试，满载的供电效率为88%。按键设置的输出电流的误差小于0.01A。

　　关键词：开关电源，BUCK，STC单片机，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

　　目录

　　1 前言 1

　　1.1课题研究意义 1

　　1.2研究现状及存在问题 1

　　1.3研究内容和方式 2

　　2系统分析 4

　　2.1 系统论述 4

　　2.2 Buck工作原理 4

　　2.3 Buck波形分析 5

　　2.4 Buck稳压分析 6

　　2.5小结 7

　　3硬件设计 8

　　3．1总统框架 8

　　3．2各部分电路的选择 8

　　3．3小结 13

　　4软件设计 14

　　4．1电压电流双闭环控制算法设计 14

　　4．2主程序程序设计 15

　　4．3按键子程序设计 15

　　4．4 ADC中断程序 16

　　4．5 关键程序 17

　　5系统测试 19

　　5．1实物图片 19

　　5．2电压调整率测试 19

　　5.3 负载调整率测试 21

　　5.4 电路效率测试 22

　　6 总结 25

　　6．1结论 25

　　6．2创新点 25

　　6．3存在问题 25

　　致谢 26

　　参考文献 27

　　附录 28

　　附 C语言程序源代码 28

　　1 前言

　　1.1课题研究意义

　　开关电源顾名思义，开关电源便是使用半导体开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），经过控制电路，使半导体开关器件不停地“导通”和“关闭”，让半导体开关器件对输入的电压进行脉冲调制，从而完成直流到交流、直流到直流电压变换，和输出电压可调和自动稳压。

　　开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于直流交流逆变电源，或直流/直流电压变换；后面两种工作模式一般用在开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作式样：直接输出电压的方式、平均值输出电压的方式、幅值输出电压的方式。同样的，前一种工作方式经常用在直流/交流逆变电源，或直流/直流电压变换；后两种工作模式经常用于开关稳压电源［1］。

　　1.2研究现状及存在问题

　　近半个世纪以来，国内外学者对开关电源进行了很多的研究，取得了很多的成果。

　　1.2.1国外研究现状

　　上个世纪的50年代初，美国宇航局为了搭载火箭，开关电源诞生了，这便是开关电源诞生的起源，此开关电源以小型化、轻巧化为目标。在历史进程中进行了近半个多世纪后，开关电源技术越来越成熟，更因具备了性能稳定、小、发热较低、轻、转换效率高等优点慢慢的在取代了传统电源技术下所制造的不间断工作电源，并在电子设备等各领域有了广泛的应用。最终在80年代，率先完成了大部分电子产品的电源换代，同时也完成了全面开关电源普及化。在到来的20世纪90年代，开关电源更是进入了快速发展的黄金时间，家电、电子设备都得到更广泛的应用。又经历了几十年的努力下，现在的开关电源技术都有了技术性的重大突破与发展。更多新技术的发现与开发将当代开关电源又带上了另一个全新的时期，在高新技术领域的应用更是推动了高新技术产品的发展，其中以其小型化、简便化的特征尤为突出。

　　1.2.2国内研究现状

　　国内学者有关开关电源的研究，有以下研究状况：

　　伴跟着开关电源的诞生，1960年代初期，我国开始对开关稳压电源进行的设计，研制并加以生产。直到60年代中期才开始慢慢地进入了实用的阶段。在对开关电源有了一定认识后，我国在70年代初期便试着开始对无工频降压变换器进行深入研究应用在开关稳压电源上，继而对其进行设计、研制和生产。最终在1974年，我国第一台工频降压变压器式的开关电源被研发出来了，输出电流是5v，工作频率是10KHz。跟着我国开关电源的向前发展，我国许多研究所、工厂等在近十年发展中也纷纷研制出来了无工频降压变换器的开关稳压电源，这种开关电源的工作频率大概在20K左右，输出的功率在1000W以下，但是其型号与用途众多，都投入电子设备、电视机、通信等领域进行广泛的使用。跟着时期的发展，因为我国半导体与工艺跟不上时期的潮流，导致了自己生产与研制的开关稳压电源的关键元器件大部分仍要经过国外进口，导致当代开关电源技术与一些先进国家相比仍存有巨大的差距。

　　1.2.3目前存在的问题

　　综上所述，目前国内外学者研究的开关电源普遍存在以下四大方面的问题：

　　1）多数使用模拟IC控制，控制式样不够智能化；

　　2）不能显示输入和输出的电流电压状况；

　　3）多数开关电源为固定输出；

　　4）可调的开关电源只能通过电位器模拟调整，不能直接得到准确的预设电压。

　　1.3研究内容和方式

　　为了设计一种更加智能化的开关电源，必须进行更深入的开关电源机理研究，下文字阐述了具体的研究内容以及研究方法。

　　1.3.1研究方案

　　设计出一种基于STC系列51单片机的BUCK型直流降压开关电源是本课题所要研究的主要内容。本系统需要达到的预期目标是：在系统完成后，系统能预置电压，其步进的电压为1V，输出的电压的限度为0V~10V，输出电流为0~1A。同时液晶显示屏上可以显示出所预置的电压，另有实时的输入输出电压，实时的电流，来使得本系统可以让调整速度加快、提升精准度，同时也能使得电压和负载的调整率降低，提升系统的效率，不在附加额外的电源板，最后还可以让输出的纹波变小等。

　　1.3.2内容安排

　　1. 首先了解课题研究的意义，和国内国外相关发展动态。

　　2. 大致的概述设计的开关电源的系统方案。

　　3. 系统的硬件设计，包括输出电路，直流斩波电路，PWM发生电路，显示电路设计等。

　　4. 系统的软件设计，对应用的编程软件进行流程图讲解，对所用方式进行概述所。

　　5. 系统调试与测试，对做好的机开关电源进行调试与数据测试并对结果进行分析。

　　6. 最后简要的总结本系统设计的工作要点和所得收获。