基于单片机控制的DC-DC变换器的设计

基于单片机控制的 DC-DC变换器的设计

目录

基于单片机控制的 DC-DC变换器的设计 ............................. 1

III

第一章 绪论

1.1

系统背景

开关电源已有几十年的发展历史。 1955 年发明的自激推挽式晶体管单 变压器直流变换器， 率先实现了高频转换控制功能； 1957 年发明的自激推 挽式双变压器， 1964 提出的无工频变压器式开关电源设计方案， 有力地推 动了开关电源技术进步。 1977 年脉宽调制（ PWM）控制器集成电路的问 世， 1994 年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。 与此同时，开关电源的频率也从最初的 20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。 目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。 各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也 日益普及。

1.1.1

绿色节能型开关电源

目前， 国外许多著名的 IC 厂家都在大力开发低功耗， 节能型开关电源 集成电路。例如，美国 PI 公司采用 EcoSmart节能技术，开发的 TOPSwitch-GX 等系列的单片开关电源。 PI 公司最近宣布，由于使用该公司 EcoSmar技术 的单片开关电源 IC，可为全球消费者节约大约 20 亿美元大的电费。荷兰 Philips 公司推出的 TEA1520等系列的绿色芯片，都将高效节能放在重要位 置。与此同时，绿色节能电源的国际标准也被普遍采用。例如，美国早在

1992 年就制定了“能源之星”计划，以降低开关电源的空载功耗。美国加 州能源委员会（ CEC）制定的强制性节能标准已从 2006年 7月 1日开始执 行，它要求电子产品必须大幅降低待机功耗和空载功耗。

1.1.2

智能化数字电源

21 世纪初问世的智能数字电源系统以其优良特性和完备的监控功能，

越来越引起人们的关注。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备 直接监控，处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。此 外，数字电源还可以通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性，包括故 障管理，过电流保护以及避免停机等。数字电源的推广，为实现智能化电 源系统的优化设计创造了有力条件。

数字电源的特点有下面几点。它是以数字信号处理器（

DSP）或微控

制器（ MCU）为核心，采用“整合数字电源”技术实现了开关电源中模拟 组件与数字组件的优化组合。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优 势，使所设计的数字电源达到高技术指标。 便于构成分布式数字电源系统。

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1.1.3

可编程开关电源 可调式开关电源都是通过手动调节电阻

值来改变稳压器输出电压的， 不仅调节精度低， 而且使用不够方便， 数字电位器（ Digital Potentiometer ） 亦称数控电阻器（ Digitally Controlled Potentiometer ），可简称为 DCP。利用 数字电位器代替可调电阻，可构成由计算机控制的可编程开关电源。

1.2

电源技术的发展与方向

1.2.1 线性电源和开关电源

线性稳定电源， 其特点是 :它的功率器件调整管工作在线性区， 靠调整 管之间的电压降来稳定输出， 稳定性高， 纹波小，可靠性高，易做成多路、 输出连续可调的成品。线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、 散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷 还是在体积和重量上。通过输入调整器可以使输出精度增加，但这更增加 功率消耗，并使效率更低。线性电源要达到 50%的效率就不容易了，这些 白白消耗掉的功率还带来散热问题。如果要使线性电源在一个通用输入电 压范围 (85V— 265VAC)工作，会导致线性电源的效率更低。

开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、 单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它 的变压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。功 率开关管工作在饱和区截止区， 即工作在开关状态， 开关电源因此而得名。

开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠。多年来，由于技术上的障 碍 (高压，大功率 )，开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式 PWM 开关电源控制器的设计得不到很大的进步。但是最近这几年，大规 模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技 术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先 是功率 MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门 极双极晶体管的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。因此目 前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性， 这包括热保护电路、限流电路、过 / 欠压保护电路等。

通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度

高，转换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够 大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于 50KHz 到 1MHz 的高频条件下， 而不是像线性电源中的那样工作于 50Hz 的低频状 态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整 2 个电子系统的体积和重量。理论分析和实践经验表明，电气产品的变 压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。如果把工作频 率从工频 50Hz提高到 20kHz，提高 400 倍，用电设备的体积重量可以下降 至工频设计的 5-10%，其主要材料可节约 90%或更高。一般说来，开关电 源的重量是线性电源的 1/4 ，相应的体积大概是线性电源的 1/3 。因此，开 关电源代替线性电源是大势所趋 [1] 。

1.2.2

电源技术的发展方向 开关电源产品的技术发展动向是高

可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和 实现模块化、 小型、薄型、轻运化。由于电源轻、 小、薄的关键是高频化， 因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整 流管的损耗、 变压器电容器小型化， 并同时采用 SMT 技术在电路板两面布 置元件以确保开关电源的轻、小、薄。

（1）高效 电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展 的一种集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也 是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来 越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进 中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。

2）低功耗

随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重

视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导 体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源 管理器件市场的稳步发展。

（ 3）智能化

运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大 多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各 主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。

（ 4）高集成

便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到 更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的 时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用 户降低成本，提升效能与可靠度。

（ 5）多功能

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2005 年，美国国家半导体公司 （NS）宣布推出一款可为先进应用及通信 处理器提供供电的电源管理产品。 它具有可编程的灵活性， 可为采用 ARM 技术的应用及通信处提供稳定的供电。 它的电源管理单元 Flex PMU是一个 单芯片的解决方案，设有一个在一起的供电区。

1.2.3

开关电源的市场前景和研究现状

电源管理始终是模拟 IC 市场最亮的看点， 占到整个模拟 IC 市场 31.2%

的份额。据研究机构预测， 2008 年全球电源管理芯片销售额将上升至 295 亿美元， 2003 年到 2008 年的年复合增长率为 12.7%，功率模拟器件将持 续强劲地增长， PC、手机、数码相机、 MP3 以及数字电视成为最主要的增 长市场。从应用领域看，电源管理芯片市场的焦点集中在便携式产品、消 费类电子、计算机、通讯和网络设备应用领域，同时工业设备、汽车电子 对电源管理芯片的需求也呈上升趋势，这些需求让电源管理芯片市场倍添 活力。由于人们在生活和工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、 笔记本电脑、 MP3 播放器等便携式产品的需求将越来 2010 年

越

大

，

预

计

全球所有便携式产品的出货量将达到 45 亿个，这些产品构成了电源管理 芯片巨大的需求市场。另外，由于便携式产品中彩屏、音视频、

GPS等功

能的日益多样化，对电源管理芯片的要求也日益提高，如便携式产品的空 间十分有限，这就要求电源管理芯片厂商把更多的功能集成在更小封装内。

我国于 1974 年研制成功了工作频率 10KHz，输出电压为 5V 的无工频 降压型开关电源。近 20 多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已 研制出多种型号的工作频率在 20kHz 左右，输出功率在 1000W 以下的无工 频降压型开关电源，并应用于电子计算机、电视等方面，取得了较好的效 果。工作频率为 100KHz-200KHz的高频开关于上世纪 80 年代初期己开始研 制，90 年代初就已研制成功，并逐渐走向实用阶段进一步提高工作频率。 许多年来，虽然我国在开关电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成 果，但是，目前我国的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差

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第二章 系统的总体设计

2.1

方案论证 开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设

计思路。开关电源的 一般结构框图如图 2.1 所示，本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳 方案的设计。

50Hz 直流电压 20kHz~1MHz直流电压

Uo

图 2.1 开关电源的一般框图

2.1.1 DC-DC主回路拓扑结构 方案一：主回路采用非隔离推挽

式拓扑结构(如图 2.2 所示)，只能获 得低于输入电压的输出电压，且输出电压与输入电压不隔离，容易引起触 电事故。

图 2.2 非隔离式 DC-DC结构 方案二：主回路采用隔离推挽式拓扑结构(如图 2.3 所示)，输入与输 出电气不相连， 通过开关变压器的磁偶合方式传递能量， 适合实验室使用。 本设计采用方案二。 5

图 2.3 隔离式 DC-DC结构

2.1.2

控制方法及实现方案

方案一 :采用脉冲频率调制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方 式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输 出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。

方案二：采用脉冲宽度调制 PWM( Pulse Wildth Modulation )的控制 方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比控制型效 率高并具有良好的输出电压和噪声。基于上述考滤及题目的具体要求，本 设计选用 PWM 调制方式 [2] 。

2.1.3

提高效率的方法及实现方案 针对提高效率的问题，使用了

如下两种方案。

方案一： 降低开关变压器次级的输出整流管 VD2 的损耗，进而提高变 换效率。可以选择肖特基二极管，其正向传输损耗低，而且不存在反向恢 复损耗。

方案二：使斩波器斩波频率与开关变压器的频率相匹配。改变控制器 的开关频率使得开关变压器的磁损耗达到最小，以提高电源的转换效率。

2.2

主体思路

采用 C8051F350单片机和 STC12C5616AD单片机实现对基于控制 PWM 的不对称半桥式功率变换器的数字控制， 实现直流输出电压的设定和步 进的连续调整， 最大输出电流为 5A。同时实现了对输出电压和输出电流的 显示等功能。系统主要包括控制开关电源模拟电路部分和单片机组成的数 控部分。系统框图如图 2.4 所示

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图 2.4 系统总框图 输入电路部分：首先由一个压敏电阻对输入的市电进行尖峰电压限幅， 然后由一个扼流线圈对输入浪涌电流进行限流，再由全桥整流滤波电路将 输入电压转化成 300V 直流电压。

功率变换部分：本设计选用隔离式开关变压器，隔离式开关电源都是

用高频变压器作为主要隔离器件，并通过 功率管对 300V 直流电

MOSFET

压进行 PWM 斩波，送入到高频开关变压器进行功率的变换及传送。

驱动电路部分：高压侧 MOSFET选用 IRFPF50，低压侧选用 IRF540和 IRF5305。MOSFET的工作需要有专用的驱动电路，由 MOSFET的各个参数 算出选择 IR2110作为 MOSFET的驱动电路。 IR2110是多通道，输出电流为 2A 的 MOSFET驱动芯片，其各个指标都满足本设计的要求。

输出电路部分：高频开关变压器变送过来的高频脉动电动势不能直接 用于输出，需要对功率 PWM 波进行高频整流滤波。由 PWM 控制器的输 出 PWM 的频率可知，整流管的开关频率必须大于 500KHz。又由于输出电 流较大，整流管的压降损耗严重， 因此要选择低导通压降的快恢复二极管。 经过元器件的选型与比较，本设计选用 MUR3060PT肖特基二极管。 MUR3060PT肖特基二极管正向传输损耗低，而且不存在反向恢复损耗。

PWM 控制部分：由开关电源专用控制芯片 TL494 控制 PWM 的输出， TL494的振荡频率由其 5、6 引脚的 RC值决定，约为 f=1.1/ （RC）。振荡器 产生的锯齿形振荡波送到 PWM 比较器的反相输入端，脉冲调宽

电压送到 PWM 比较器的同相输入端，通过 PWM 比较器进行比较，输出一定宽度 的脉冲波。当调宽电压变化时， TL494 输出的脉冲宽度也随之改变，

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从而改变开关管的导通时间 Ton ，达到调节、稳定输出电压的目的 反馈检测部分：输出电压经过电压采样、电流采样后送到 TL494 的反 馈输入端， 从而达到控制脉冲宽度的调制。 脉冲调宽电压可由 3 脚直接送 入的电压来控制，也可分别从两个误差放大器的输入端送入，通过比较、 放大，经隔离二极管输出到 PWM 比较器的正相输入端。两个放大器可独 立使用，如分别用于反馈稳压和过流保护。

信号给定部分：本设计选用两个单片机同时协调系统的工作。其中 C8051F350单片机主要是对功率电路的控制和对输出电压、电流的采样反 馈； STC12C5616AD单片机则对编码电位器的输入进行解码和数码管的显 示。信号的给定则用 PWM 的方式进行 D/A 输出，对 PWM 进行二阶滤波 后，信号的输出电压 Uo=DU，其中 U 为 PWM 波形的高电平值。 PWM 选 用 16 位计数方式， 则 D/A 的分辨率为 1/65535 ，此分辨率完全满足了本设 计的要求。两个单片机之间的通信则选用单片自带的

UART， UART具有布

线简单，编程简单的优点，同时自定义了一些通信协议。

人机交换部分：电压值的输入由编码电位器编码输入。编码电位器与 STC12C5616AD单片机相连，编码电位器在工作时会产生一系列的编码， STC12C5616AD单片机对 I/O 口电平进行定时采样， 以识别出编码电位器的 编码，再由单片机按编码电位器的编码方法进行解码，从而获得输入的电 压值。显示部分则由 STC12C5616AD单片机将数据由 I/O 口按 74HC595 的 读写时序串行输出， 74HC595将输出的数据串 -并译码后直接驱动数码管的 显示。 [3]

2.3

软件设计思路 软件设计完成的主要功能有三部分：设置输出

电压；检测输出电压； 显示输出电压。 软件流程说明：当电源打开的时候， MCU 进行复位，寄 存器清零。 接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小， 这时候 MCU

先读取 EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数 据送到 STC12C5616AD单片机，再转换成 BCD码送到显示部分。

这时候程

序循环检测是否有旋钮的旋转， 如果高位旋钮被旋转， 电压大小步进变化， 电压数据加 （减） 1，相对应输出电压 （ POWER-OUT引脚）以 1V 或者 0.1V 为单位改变大小，如果低位旋钮被旋转按下，当前电压数

1，相对应

据

加

输出电压（ POWER-OUT引脚）以 0.001V 或者 0.01V为单位改变大小，保 存设置电压数据。保存该电压编号，读对应电压，并将电压值送到 STC12C5616AD单片机并且用数码管显示。

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2.3.1 软件系统的逻辑控制 从本系统的硬件原理图（见附录）中

可以分析出软件系统的逻辑控制 方式，其逻辑控制图如图 2-5 所示。软件的设计就是对串口、显示、编码 器、PWM、ADC这五个模块的控制。

图 2.5 系统软件逻辑控制图

2.3.2 软件系统的结构 根据软件系统的逻辑控制方式可以分析

出软件系统的总体结构，在主 模块的控制下，内部处理模块、数据采集处理模块和用户交互模块共同完 成了系统的设计目标。软件系统结构图如图 2-6 所示。

图 2.6 软件系统结构图

2.4

软件设计部分概述 程序设计语言的选择考虑到所要实现的

功能较多，虽然汇编语言产生 的目标程序简短，占用存储空间较小，实时性强， C 语言编程会占用较大 的存储空间，而且 C 语言的

实时性较差，但是 C语言编程比较简单。本次设计利用 C 语言作为主 程序，分别调用了 AD转换子程序， PWM 子程序，编码器中断子程序，串 口中断子程序，数码管 LED显示子程序。

2.4.1

程序设计方法

（ 1）结构化程序设计：是给程序施加一定的约束，它限定采用规定 的结构类型和操作顺序。结构化程序设计规定任何程序序列必须由直线顺

序结构，条件结构，循环结构基本形式组成。但它只考虑操作的顺序而不 考虑数据因此不适合数据处理。

（ 2）自顶向下的程序设计：这种设计方法是先从系统一级的管理程 序开始设计，从属的程序或子程序用一些程序符号来代替。当系统一级的 程序编写后，在将各个标志扩展成从属程序或子程序，最后完成整个系统 程序。

（ 3）模块化程序设计：模块实质就是具有一定功能，相对独立的程 序段。模块能够独立地完成一定功能，能独立设计、查错、调试、修改与 维护。模块化程序设计是把整个系统按照一定规则划分成若干个模块，并 且对划分的模块可进一步详细划分，直到最下层的每个模块能相对独立且 容易编程为止。本次设计就是采用了模块化的程序设计思想，基于这种思 想，缩短了程序开发的周期。

2.4.2

软件设计步骤

（ 1）系统定义：就是清楚地列出系统的各个部分与软件设计有关的 特点，并进行定义，以作为软件设计的依据，系统定义是对系统任务的描

述。

（ 2）程序设计：程序设计是制定程序的纲要，也就是将系统定义的