開關電源的設計

【摘要】：開關電源是利用現代電子電力技術控制功率開關管（三極管）的導通和關斷的時間比來穩定輸入電壓的一種新型穩壓電源。它是在電子、計算機、通信、電氣、航空航天、軍事以及家電等領域應用非常廣泛的一種電力電子裝置。具有電能轉換效率高、體積小、重量輕、控制精度高、速度性能好等優點。本次設計的主要目的是實現一個開關電源，開關電源在日常生活中應用非常廣泛，比如電視機、電腦、冰箱以及其他常用的電子產品都需要開關電源，如今是數字化時代，用單片機實現電子產品十分方便，所以在這次設計中使用了單片機實現。在這次設計文檔中，詳細闡述了開關電源與線性電源的比較，方案論證，總體結構設計，并附以相關電路圖表示，最后生成相關了PCB電路圖。

【關鍵詞】：半導體；開關；轉換；控制；分壓

電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發展，電源技術又與現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。他對現代通訊、電子儀器、計算機、工業自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵作用。

電源的重要性不可否認，但是傳統電源存在不足的地方，例如，傳統電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當輸出電流越大時，功耗就越大。通常，線性電源效率只有45%到50%左右，因此提高電源效率是未來電源設計，應著重解決的問題，而開關電源能夠很好的解決這個問題，開關電源的功率開關管是工作在開關狀態的，也就是，只是在開關管導通時，管子才會產生損耗，因此開關電源的效率比線性電源要高得多，通常可以達到80%以上，本設計選擇開關電源作為研究對象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關系，假定輸入基本穩定，利用單片機控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過A/D轉換，采樣輸出電壓，使用數碼管顯示，通過鍵盤預置電壓，實現可調開關電源的制作。

1 、開關電源工作原理

開關電源是指調整管工作在開關方式，即導通和截止狀態的穩壓電源，縮寫為SPS（Switching Power Supply）。開關電源的核心部分是一個直流變換器。利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數值不同的多種直流電壓。

圖1所示電路的工作過程為：假設基準電壓為5v，由于電網波動導致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時，所采樣的電壓將減小，假設為4.9v，誤差為0.1v，經過比較放大后，脈沖調制電路根據這個誤差，提高占空比使輸出電壓增大，同理，當由于電網波動導致輸出電壓增大時，脈沖調制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩定。

2、開關電源的優點

（1）功耗小，效率高。圖1中，開關管V在脈沖信號的控制下，交替工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度快，頻率一般在50到200千赫茲。這就使得功率開關管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達到80%以上。

（2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關電源的體積和重量都可以得到減小。

（3）穩壓范圍寬。開關電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的頻率來調節的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調寬來進行補償。在工頻電網電壓有較大變化或負載有較大變化時，它仍能保證有較穩定的輸出電壓，所以穩壓范圍寬、穩壓效果好。

（4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。

3、總體結構設計

系統工作原理圖如圖2所示：市電經過整流濾波后，一路電壓經過7805穩壓得到一個+5v電壓，該電壓作為單片機的工作電源，另外一路電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓。單片機根據鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據模/數轉換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據差值調用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩定。單片機定時采樣輸出端的電壓，通過ADC0832送進單片機進行處理，單片機根據處理結果輸出更新的控制信號，經過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號控制功率開關管工作狀態。

閉環時，電源自動進行脈寬調制，當系統讀取到鍵盤預置的電壓變化時，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設當前鍵盤輸入為10v，從輸出端取樣的值為6v，差值為4v，則系統會根據這個差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為10v；同樣，當鍵盤輸入為6v，輸出端取樣值為10v，差值為-4v，系統會根據算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統脈寬調制過程。

參考文獻：

[1]童一帆，張武坤.單片機測控技術[M].北京：航空航天大學出版社，2006.

[2]王德財.智能高頻開關電源監控系統的實現[J].電力電子技術，2005（10）：9211.

[3]沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

[4]蔡宣三.開關電源發展軌跡[J].電子產品世界， 2006（9）：10211