摘要

　　本開關電源設計采用STC12C5A60S2單片機發生47KHZ的PWM脈沖信號，經過IR2104控制MOS，從而控制整個BUCK（降壓式變換）電路。單片機內部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實時反饋電流和電壓數值，并由此調整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環控制系統。按鍵能設置輸出電流從0.2A到2A，以0.01A遞增，輸出最大10V，液晶能顯示實時輸出電流與電壓。根據測試，滿載的供電效率為88%。按鍵設置的輸出電流的誤差小于0.01A。

　　關鍵詞：開關電源，BUCK，STC單片機，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

　　目錄

　　1 前言 1

　　1.1課題研究意義 1

　　1.2研究現狀及存在問題 1

　　1.3研究內容和方式 2

　　2系統分析 4

　　2.1 系統論述 4

　　2.2 Buck工作原理 4

　　2.3 Buck波形分析 5

　　2.4 Buck穩壓分析 6

　　2.5小結 7

　　3硬件設計 8

　　3．1總統框架 8

　　3．2各部分電路的選擇 8

　　3．3小結 13

　　4軟件設計 14

　　4．1電壓電流雙閉環控制算法設計 14

　　4．2主程序程序設計 15

　　4．3按鍵子程序設計 15

　　4．4 ADC中斷程序 16

　　4．5 關鍵程序 17

　　5系統測試 19

　　5．1實物圖片 19

　　5．2電壓調整率測試 19

　　5.3 負載調整率測試 21

　　5.4 電路效率測試 22

　　6 總結 25

　　6．1結論 25

　　6．2創新點 25

　　6．3存在問題 25

　　致謝 26

　　參考文獻 27

　　附錄 28

　　附 C語言程序源代碼 28

　　1 前言

　　1.1課題研究意義

　　開關電源顧名思義，開關電源便是使用半導體開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），經過控制電路，使半導體開關器件不停地“導通”和“關閉”，讓半導體開關器件對輸入的電壓進行脈沖調制，從而完成直流到交流、直流到直流電壓變換，和輸出電壓可調和自動穩壓。

　　開關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穩壓電源。另外，開關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；后兩種工作模式經常用于開關穩壓電源［1］。

　　1.2研究現狀及存在問題

　　近半個世紀以來，國內外學者對開關電源進行了很多的研究，取得了很多的成果。

　　1.2.1國外研究現狀

　　上個世紀的50年代初，美國宇航局為了搭載火箭，開關電源誕生了，這便是開關電源誕生的起源，此開關電源以小型化、輕巧化為目標。在歷史進程中進行了近半個多世紀后，開關電源技術越來越成熟，更因具備了性能穩定、小、發熱較低、輕、轉換效率高等優點慢慢的在取代了傳統電源技術下所制造的不間斷工作電源，并在電子設備等各領域有了廣泛的應用。最終在80年代，率先完成了大部分電子產品的電源換代，同時也完成了全面開關電源普及化。在到來的20世紀90年代，開關電源更是進入了快速發展的黃金時間，家電、電子設備都得到更廣泛的應用。又經歷了幾十年的努力下，現在的開關電源技術都有了技術性的重大突破與發展。更多新技術的發現與開發將當代開關電源又帶上了另一個全新的時期，在高新技術領域的應用更是推動了高新技術產品的發展，其中以其小型化、簡便化的特征尤為突出。

　　1.2.2國內研究現狀

　　國內學者有關開關電源的研究，有以下研究狀況：

　　伴跟著開關電源的誕生，1960年代初期，我國開始對開關穩壓電源進行的設計，研制并加以生產。直到60年代中期才開始慢慢地進入了實用的階段。在對開關電源有了一定認識后，我國在70年代初期便試著開始對無工頻降壓變換器進行深入研究應用在開關穩壓電源上，繼而對其進行設計、研制和生產。最終在1974年，我國第一臺工頻降壓變壓器式的開關電源被研發出來了，輸出電流是5v，工作頻率是10KHz。跟著我國開關電源的向前發展，我國許多研究所、工廠等在近十年發展中也紛紛研制出來了無工頻降壓變換器的開關穩壓電源，這種開關電源的工作頻率大概在20K左右，輸出的功率在1000W以下，但是其型號與用途眾多，都投入電子設備、電視機、通信等領域進行廣泛的使用。跟著時期的發展，因為我國半導體與工藝跟不上時期的潮流，導致了自己生產與研制的開關穩壓電源的關鍵元器件大部分仍要經過國外進口，導致當代開關電源技術與一些先進國家相比仍存有巨大的差距。

　　1.2.3目前存在的問題

　　綜上所述，目前國內外學者研究的開關電源普遍存在以下四大方面的問題：

　　1）多數使用模擬IC控制，控制式樣不夠智能化；

　　2）不能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況；

　　3）多數開關電源為固定輸出；

　　4）可調的開關電源只能通過電位器模擬調整，不能直接得到準確的預設電壓。

　　1.3研究內容和方式

　　為了設計一種更加智能化的開關電源，必須進行更深入的開關電源機理研究，下文字闡述了具體的研究內容以及研究方法。

　　1.3.1研究方案

　　設計出一種基于STC系列51單片機的BUCK型直流降壓開關電源是本課題所要研究的主要內容。本系統需要達到的預期目標是：在系統完成后，系統能預置電壓，其步進的電壓為1V，輸出的電壓的限度為0V~10V，輸出電流為0~1A。同時液晶顯示屏上可以顯示出所預置的電壓，另有實時的輸入輸出電壓，實時的電流，來使得本系統可以讓調整速度加快、提升精準度，同時也能使得電壓和負載的調整率降低，提升系統的效率，不在附加額外的電源板，最后還可以讓輸出的紋波變小等。

　　1.3.2內容安排

　　1. 首先了解課題研究的意義，和國內國外相關發展動態。

　　2. 大致的概述設計的開關電源的系統方案。

　　3. 系統的硬件設計，包括輸出電路，直流斬波電路，PWM發生電路，顯示電路設計等。

　　4. 系統的軟件設計，對應用的編程軟件進行流程圖講解，對所用方式進行概述所。

　　5. 系統調試與測試，對做好的機開關電源進行調試與數據測試并對結果進行分析。

　　6. 最后簡要的總結本系統設計的工作要點和所得收獲。