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(duì)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(dòng)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
上個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)全新的時(shí)期，在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用更是推動(dòng)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。
為了設(shè)計(jì)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。
設(shè)計(jì)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(shí)液晶顯示屏上可以顯示出所預(yù)置的電壓，另有實(shí)時(shí)的輸入輸出電壓，實(shí)時(shí)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(shí)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。
直流/直流變換是將固有的直流電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)整的電壓，又叫做直流斬波。它有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)應(yīng)用的是BUCK(降壓式變換電路)型直流/直流，其特征是輸出的電壓比輸出電壓低。如圖2-1所示。
圖2-1 BUCK電路拓?fù)?/div>
Buck工作原理
當(dāng)Mos管或者三級(jí)管導(dǎo)通很長很長時(shí)間后，所有的元器件均處在一種理想狀態(tài)的情況下，此時(shí)電容的電壓會(huì)等于輸入的電壓。在這樣的條件下，我們使用BUCK變換器的充電和放電這兩個(gè)階段來對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行說明：
在電感充電的情況下
當(dāng)BUCK變壓器處于充電的過程時(shí)，將開關(guān)閉合，此時(shí)三級(jí)管處于導(dǎo)通的狀態(tài)，可以用一條導(dǎo)線來替代，替代后的等效圖如下。當(dāng)輸入的電壓經(jīng)過電感這時(shí)刻，二級(jí)管因?yàn)榉唇樱詻]起到作用，這里刪去。再加上輸入的是直流，因此電感發(fā)生的電感電流是成比率上升的，具體上升多少與電感的大小有關(guān)系，電感相當(dāng)于一個(gè)恒定電流源，起傳遞能量作用，電容等于恒定電壓源，在電路里起到濾波的作用。BUCK變換器充電階段等效圖如圖2-2所示。
圖2-2 BUCK變換器充電階段等效圖
在電感放電的情況下
當(dāng)BUCK變壓器處于放電的過程中，開關(guān)管子已經(jīng)斷開，此時(shí)的三級(jí)管處于截止?fàn)顟B(tài)，這里把它拿掉，等效電路圖如下。在開關(guān)斷開的時(shí)間里，因?yàn)殡姼械谋３蛛娏鞑蛔兲卣鳎姼猩系碾姼须娏鞑粫?huì)一下子下降到零，而是把充電完成后所累積的電流值慢慢下降到0。在這個(gè)過程中，因?yàn)樵瓉淼碾娐芬呀?jīng)斷開了，因此電感沿著之前的方向，經(jīng)過二極管D形成一個(gè)新的回路的，即流過電容對(duì)電容進(jìn)行充電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的不間斷的電流。BUCK變換器放電階段等效圖如圖2-3所示。
圖2-3 BUCK變換器放電階段等效圖
綜上所述，BUCK變換器的升壓過程便是電感能量儲(chǔ)存和釋放的過程。在充電的過程時(shí)。電感通過流過它自身的電流不斷儲(chǔ)存能量，在放電的過程時(shí)，假如電容容量足夠大，那電容的兩端就可以在放電的過程中保持一個(gè)持續(xù)不間斷的電流放電，假如這個(gè)通斷的過程不斷的被重復(fù)，那么就可以夠讓電容兩端的電壓低輸出的電壓，從而完成降壓的目的。
Buck波形分析
波形如下所示。
導(dǎo)通時(shí)Q電流
閉合時(shí)C電流
L的電流和輸出電流的關(guān)系：
輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系
Buck穩(wěn)壓分析
本設(shè)計(jì)采用串連型開關(guān)電源，其穩(wěn)壓原理框圖如圖2-4所示。在MOS管導(dǎo)通的時(shí)刻，電感L將流過的電流轉(zhuǎn)換成磁能進(jìn)行能量儲(chǔ)存，電容C將流過電感L的部分電流轉(zhuǎn)換成電荷儲(chǔ)存。在MOS管關(guān)斷的時(shí)刻，電感L發(fā)生反向電動(dòng)勢，輸送給負(fù)載R并與續(xù)流二極管D組成回路，同時(shí)電容C將電荷轉(zhuǎn)換成電流向負(fù)載供電。
經(jīng)過不斷導(dǎo)通與關(guān)斷MOS管，使uo發(fā)生脈動(dòng)電壓，經(jīng)過LC濾波電路使脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定的直流電壓Uo輸送給負(fù)載，輸出電壓Uo的電壓值與MOS管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間成正比。當(dāng)外部因素使輸出電壓或電流發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過單片機(jī)自帶的10位ADC實(shí)時(shí)采集輸出的電壓和電流，實(shí)時(shí)調(diào)整開關(guān)K導(dǎo)通的占空比，從而組成閉環(huán)電壓控制電路，使輸出電壓能達(dá)到穩(wěn)定。
圖2-4開關(guān)電源模塊穩(wěn)壓原理
LC濾波電路參數(shù)推導(dǎo)
采用輸入電壓25V，輸出電壓最大為10V，根據(jù)推導(dǎo)公式如式（2-1）所示：此中Ton為PWM一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間、Ui為輸入電壓、Uo為輸出電壓、Ud為肖特基二極管的電壓降（約等于0.6V）、Io為一個(gè)直流/直流模塊的輸出電流。
(2-1)
PWM的占空比為D:
(2-2)
代入數(shù)據(jù)后得到
(2-3)
一般而言，開關(guān)電源的頻率越高，電感的感量可以越小，效率也可以越高。此單片機(jī)能輸出的PWM最高頻率為47KHZ，所以本設(shè)計(jì)選擇讓單片機(jī)輸出47KHZ的PWM。那么f=47Khz導(dǎo)通時(shí)間Ton為
(2-4)
電感量L為：
(2-5)
因此將各參數(shù)代入式（2-5）得式（2-6）：
(2-6)
計(jì)算得到32uH電感，這里采用5倍以上余量，采用150uH的電感，可降低電感溫度。另外本設(shè)計(jì)采用銅線和磁芯做成的電感以增大電感的儲(chǔ)能能量提升供電的效率。
按照串連型開關(guān)電源的電容推導(dǎo)公式如式（2-7）所示，此中C為電容容量、Io為一個(gè)模塊個(gè)輸出電壓、△Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個(gè)周期的時(shí)間。
(2-7)
輸出電壓最大為10V，我們?cè)O(shè)定紋波電壓為0.1V,將各參數(shù)代入式（2-7）得式（2-8）結(jié)果：
(2-8)
本設(shè)計(jì)采用2個(gè)1000 的電容，達(dá)到降低紋波電壓的目的。
單片機(jī)
STC12C5A60S2單片機(jī)，在指令代碼的方面可以完全兼容傳統(tǒng)8051,同時(shí)它的速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要快8-12倍，體現(xiàn)了其高速度的一面。這系列單片機(jī)其里面有專用的集成復(fù)位電路，另有8路高速的10位ADC轉(zhuǎn)換，同時(shí)還兼有2路的PWM等，它的功能之強(qiáng)大遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的8051系列。
圖3-2 STC12C5A60S2單片機(jī)實(shí)物圖
IR2104半橋驅(qū)動(dòng)電路
IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動(dòng)式泵荷升壓原理。上電時(shí)，電源流過快恢復(fù)二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc，這時(shí)假如下管導(dǎo)通，C負(fù)級(jí)被拉低，形成充電回路，會(huì)很快充電至接近Vcc，當(dāng)PWM波形翻轉(zhuǎn)時(shí)，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導(dǎo)通，C負(fù)極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時(shí)已超過Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會(huì)向電源倒流，C此時(shí)開始向芯片里面的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電，C上的端電壓被充至高于電源高壓的Vcc，只要上下管一直輪流導(dǎo)通和截止，C就會(huì)不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電，使上管打開的時(shí)刻，高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設(shè)計(jì)難道，只要電容C選擇恰當(dāng)，該電路運(yùn)行穩(wěn)定。IR2104應(yīng)用電路圖如3-3所示。
電路供電電源的選擇
線性降壓芯片7805。這個(gè)穩(wěn)壓IC需要的外圍元件很少，IC內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)措施，不但價(jià)廉且輸出電壓很穩(wěn)定。78系列的穩(wěn)壓集成塊要考慮輸出與輸入壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入輸出之間壓差要大于2V。其應(yīng)用電路圖如圖3-4所示。
圖3-4 7805應(yīng)用電路
電流檢測電路
方案一：霍爾電流傳感器。電流流過霍爾傳感器的線圈發(fā)生磁場，磁場隨電流的大小變化而變化，磁場匯集在磁環(huán)內(nèi)，霍爾元件輸出跟著磁場變化的電壓信號(hào)。經(jīng)過檢測電壓值，能得到電流的大小。
方案二：電阻分壓檢測電路。經(jīng)過在輸出回路中串連采樣電阻，將經(jīng)過電阻的電流轉(zhuǎn)換成兩端的電壓，經(jīng)過檢測電壓值從而獲得電流值。該檢測方式電路和程序控制都比較簡潔。
要完成對(duì)輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，務(wù)必對(duì)輸出電流和電壓進(jìn)行采樣反饋。本設(shè)計(jì)采用如下圖所示的電流電壓檢測電路。為了便于MCU采集，分壓電阻發(fā)生的電壓經(jīng)過由LM358組成的同相比例放大器放大后，輸入到MCU的ADC端口。
LM358內(nèi)部集成的是雙運(yùn)放，單電源和雙電源都能使其工作。
圖3-5 Lm358引腳圖及引腳功能
要完成對(duì)輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，務(wù)必對(duì)輸出電流經(jīng)過運(yùn)放放大后進(jìn)行采樣反饋。本設(shè)計(jì)采用如圖3-6所示的電流檢測電路。
圖3-6 電流檢測電路
輸出最大電流為2A。本設(shè)計(jì)采用電阻分壓的式樣對(duì)輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，因?yàn)椴蓸与妷褐苯虞斔徒o單片機(jī)10位ADC進(jìn)行檢測，單片機(jī)供電電源為5V，所以其內(nèi)部自帶的檢測的最高電壓也為5V， 這個(gè)電路中，LM358由5V電壓供電，最大輸出電壓和供電電源電壓之前有1.2V壓差，所以能輸出最大電壓為：
(3-1)
2A電流經(jīng)過0.02Ω電阻得到的電壓為
(3-2)
該電壓要經(jīng)過放大后才能更容易被單片機(jī)檢測到，在這個(gè)應(yīng)用中運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)該小于
(3-3)
這里選擇R12和R10為33K和1K，放大倍數(shù)為
(3-4)
因?yàn)?nbsp; > , 符合設(shè)計(jì)要求。
即當(dāng)電流為2A時(shí)，運(yùn)放輸出電壓為：
(3-5)
電壓檢測電路
輸入電壓最大為10V，而單片機(jī)的采樣電壓最高位5V，故電壓采樣電阻比例應(yīng)該小于
(3-6)
這里取R1和R5是47K 和10K，
(3-7)
因?yàn)?nbsp; 1< 2,所以滿足條件。
當(dāng)10V輸出時(shí)，單片機(jī)檢測到的電壓是，
(3-8)
電壓分壓檢測電路如圖3-7所示。
圖3-7 電壓檢測電路
按鍵電路
目前單按鍵這種模式的鍵盤使用方便，響應(yīng)的快并且接口還簡潔。綜合以上本系統(tǒng)采用的是非編碼式鍵盤。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了3 個(gè)按鍵，按照軟件來定義它的功能，鍵盤與單片機(jī)的P2.3、P2.2、P2.1鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備。
S1為開關(guān)按鍵，按一下即有輸出，按第二下即輸出停止，如此循環(huán)
S2為輸出電流增加。
S3為輸出電壓減少。
如圖3-8所示
圖3-8 按鍵電路
液晶顯示模塊
系統(tǒng)采樣1602液晶顯示。液晶驅(qū)動(dòng)電流較小，能顯示較大信息量，無需增外設(shè)電路。
能顯示多行數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行更多的操作。
能顯示輸入輸出的實(shí)時(shí)電壓，輸出的實(shí)時(shí)電流，預(yù)設(shè)的輸出電壓。如圖3-9所示
圖3-9 1602液晶顯示
小結(jié)
綜上所述，本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)發(fā)生47KHZ的PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)過IR2104控制MOS，從而控制整個(gè)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(shí)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(shí)輸出電流與電壓。總體電路圖如3-10所示。
圖3-10 總體電路圖
