基于单片机控制的开关电源的设计

哈尔滨剑桥学院

毕业设计

论文题目：基于单片机控制的开关电源的设计

学生：孙中凯

指导教师：李德胜高级工程师

专业：电气工程及其自动化

班级： 12级电气2班

2016年5月

毕业设计（论文）审阅评语

毕业设计（论文）答辩评语及成绩

基于单片机控制的开关电源的设计

摘要

电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠的电源起着关键作用。

本文设计主要目的是实现一个单片机控制开关电源，所以在这次设计中使用了单片机实现。在这次设计文档中，详细阐述了开关电源与线性电源的比较，总体结构设计，通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用PID算法控制输出电压稳定，构成可输出12v到0v的可调节电压，并显示实时预置值与电压。

关键词：财开关电源；半导体；PID算法；闭环控制；数控

目录

摘要.................................................................................................................................................. I 1 绪论 (1)

1.1 课题环境背景 (2)

1.1.1绿色节能型开关电源 (2)

1.1.2 智能化数字电源 (1)

1.1.3 可编程开关电源 (1)

1.2 电源技术的发展与方向 (2)

1.2.1 线性电源和开关电源 (2)

1.2.2 电源技术的发展方向 (2)

1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状 (3)

1.3 本文研究主要内容 (3)

2 系统方案设计 (4)

2.1 开关电源工作原理 (4)

2.2 开关电源与线性电源的比较 (4)

2.2.1 线性电源的缺点 (4)

2.2.2 开关电源的优点 (4)

2.3 系统方案论证 (5)

2.3.1 方案1 (5)

2.3.2 方案2 (5)

2.3.3 方案3 (6)

2.3.4 方案分析 (6)

2.3.5 总体结构设计 (6)

2.4 系统难点分析 (7)

2.4.1 如何提高电源工作频率 (7)

2.4.2 储能电感的绕制 (8)

2.4.3 标度转换技术 (9)

2.5 开关变换器结构分析与选择 (9)

2.5.1 降压变换电路分析 (9)

2.5.3 Buck-Boost型变换器 (11)

2.6 开关电路器件参数选择 (12)

2.6.1 功率开关管的选择 (12)

2.6.2 滤波电容的选择 (12)

2.6.3储能电感的选择 (13)

2.6.4续流二极管的选择 (13)

3 硬件电路设计 (14)

3.1 电源电路设计 (14)

3.1.1 整流滤波电路 (14)

3.1.2 开关变换电路 (14)

3.1.3 保护电路 (15)

3.2 控制电路设计 (16)

3.2.1 反馈电路设计 (17)

3.2.2 显示电路设计 (17)

3.2.3 单片机与键盘接口电路设计 (18)

4 软件设计 (20)

4.1 总体编程思想 (20)

4.1.1 键盘防抖动子程序 (22)

4.1.2 显示子程序 (23)

4.1.3 采样子程序 (24)

4.1.4 中断处理程序设计 (25)

4.1.5 PID控制算法 (26)

5 系统调试 (26)

5.1 硬件模块调试 (26)

5.1.1 整流滤波电路的调试 (26)

5.1.2 AD转换的调试 (26)

5.1.3 脉冲输出电路的调试 (26)

5.1.4 功率开关管的调试 (26)

5.2 电源性能指标的测试 (26)

5.2.2 输出电压的测试 (28)

5.2.3 最大输出电流的测试 (28)

5.2.4 过流保护的测试 (29)

5.2.5 电压调整率的测试 (29)

5.2.6 纹波电压的测试 (29)

结论 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

附录 (33)

基于单片机控制的开关电源的设计

1 绪论

1.1 课题环境背景

电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠的电源起着关键作用。开关电源与线性电源相比，二者的成本都随输出功率的增加而增长，但二者增长速率不同。线性电源成本在某一输出功率点上，相反高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源推动了高新技术产品的请便化、小型化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[1]。

1.1.1 节能绿色型的开关电源

最早的开关电源技术还不够成熟，待机功耗大并且效率低。怎样降低开关电源的功耗和提高开关电源效率是世界能源待解决的问题。但是单片机的出现，可以设计出一个绿色又可以节能的开关电源。

1.1.2 智能化数字电源

它是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。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。

1.1.3 可编程开关电源

可调式开关电源都不仅调节精度低，而且使用不够方便，因为它是手动调节电阻值来改变稳压器输出电压的。数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电阻器

（Digitally Controlled Potentiometer），可简称为DCP。

传统电源存在不足的地方，例如，传统电源效率不高，线性电源由于功率管是工作在线性放大状态，功率管的电流和输出电流是成比例的，因此当输出电流越大时，功耗就越大。通常，线性电源效率只有45%到50%左右，因此提高电源效率是未来电源设计，应着重解决的问题，而开关电源能够很好的解决这个问题，开关电源的功率开关管是工作在开关状态的，也就是，只是在开关管导通时，管子才会产生损耗，因此开关电源的效率比线性电源要高得多，通常可以达到80%以上，本设计选择开关电源作为研究对象，利用其输出电压和输入电压之间占空比的关系，假定输入基本稳定，利用单片机控制占空比，就可以控制输出电压，通过A/D转换，采样输出电压，使用LCD显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作[2]。

1.2 电源技术发展和方向

1.2.1 开关电源与线性电源

线性稳定电源，它的特点是:功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间电压降稳定输出，可靠性高，易做成多路，稳定性高，纹波小、输出连续可调的成品。线性电源主要问题是：效率低、精度低、散热问题大和难以在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷是在重量以及体积上。使用输入调整器可使输出精度更加准确，但是更增加功率的消耗，并且导致效率更低。线性电源功率达到50%的效率就不容易了，这些浪费掉的功率还带来了散热的问题。

开关电源是开关型直流稳压电源，电路形式有全桥式、推挽式、单端正激式、单端反激式和半桥式。开关电源与线性电源的区别在于开关电源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与区截止区，工作在开关状态，得名与开关电源。开关电源它的优点是稳定性高，重量轻，体积小。

1.2.2 电源技术发展的方向

尖电源技术对提高一个国家劳动生产率和提高一个国家单位能耗的产出水平，有着非常大的作用。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[3]。

开关电源发展的方向是抗干扰、低耗、模块化、高频、高可靠和低噪声。由于开关电源薄、轻、小的技术是高频化，并且在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大研究，来提高在较大磁通密度与高频率下能获得高的磁性能，但是电容器的小型化也是一项关键技术研

究。SMT技术的应用使开关电源取得了巨大的进展，在电路板两边布置元器件，可以确保开关电源的小、轻、薄。

模块化可以说是开关电源发展总体的趋势，利用模块化电源组成分布式电源系统，可以组成N+1冗余电源系统，并且可以实现并联方式容量扩展。对于开关电源运行噪声大的缺点，用部分谐振转换电路技术，在理论上可实现高频化又可以降低噪声，但部分谐振转换技术实际操作上会有很多技术问题，所以仍需在这一领域开展研究，使多项技术得以实用化

1.2.3 开关电源市场的研究状况与前景

线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后,得到脉动直流电后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电。要达到高精度直流电压,就必须经过稳压电路进行稳压。用于电镀、充电设备、电解、科研、大学院校、工矿、实验室等。

开关电源(Switching power supply)是利用现代电子电力技术,控制开关管关断时间和开通的比率,支持稳定输出电压的一种电源,开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展,产品不断向着轻、小、薄、低噪声、高可靠的方向发展[4]。

开关电源是电子电力电源主要产品，由于其功率密度/转换效率高、输入电压范围广、输入电压范围广、热消耗较少、重量轻和小型化等优点，得益于电子产品的轻、小的需求，发展迅速，取代了线性电源普及于各种电子电力的产品领域。开关电源应用领域统计，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源，2010年达到全行业产值的比重为56%，居第二位的是消费类开关电源，占32%，通信开关电源占6%，个人电脑开关电源占3%[5]。1.3 本文研究主要内容

（1）设计、制作开关电源；

（2）利用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘的预置输入电压数值，可以显示预置电压与输出电压；

（3）开关电源的设计方法；

（4）单片机软件编程方法；

（5）PID控制原理；

2 系统方案设计

2.1 开关电源工作原理

开关电源是指调整管工作在开关方式，即导通和截止状态的稳压电源，核心是一个直流变换器。利用直流变换器就可以使一种直流电压变成数值不同、极性的各种直流电压。

如图2.1所示，电路的工作原理为：假设基准电压为10v，因为电网波动导致输入电压减小，所以输出电压也会减少，那么，所采样电压将减小，假设为9.9v，误差为0.1v，经比较放大后，脉冲调制电路根据误差，提高占空比使输出电压增大。

图2—1开关电源原理框图

按电路中功率管的工作方式分类，电源可分为线性电源与开关电源。线性电源是较早的一种电源，它的功率管工作在线性放大区[5]。

2.2 线性电源和开关电源的比较

2.2.1 线性电源的缺点

（1）必须要有较大的滤波电容；（2）体积大、不能小型化，重量也大；（3）效率低，功耗大，效率一般只有35%-45%。

缺点的原因是：（1）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，，所以必须增大滤波电容容量。

（2）线性电源中功率晶体管V在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的输出电流和功耗成正比。

2.2.2 开关电源优点

（1）功耗小，效率高。图2.1中，开关管V在脉冲信号控制下，工作在截止-导通与导通-截止交替的开关状态下，转换速度很快快，频率在50~200千赫兹。

（2）体积小，重量轻。

（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。

（4）滤波效率提高，并使滤波电容体积于容量减小。

2.3 系统方案论证

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，

图2—2 开关电源的一般框图

2.3.1 方案1

主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图2.2所示）

图2—3 非隔离式DC-DC结构

2.3.2 方案2

主回路用隔离推挽式拓扑结构（如图2.3所示），输出和输入电气不相连，通过关开变压器磁偶合方式传递能量，最适合实验室使用。本设计用方案二。

图2—4隔离式DC-DC结构

2.3.3 方案3

方案3：单片机扩展D/A转换器，不间断的检测输出电压，并且根据电源输出的电压和键盘预置电压差值，输出了一个PWM脉冲，直接控制电源工作。

2.3.4 方案分析

方案1分析：采用脉冲频率调制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，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2分析：采用脉冲宽度调制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，。基于考滤题目的要求，本次设计用PWM调节方式。

方案3分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制核心，单片机得以充分利用，而且省去了D/A芯片，成本大大降低，是真正的单片机控制。

综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用89C52，A/D芯片采用ADC0809，采用LCD显示采样值，键盘预置电压，设计中的任务要求输出可调。

2.3.5 总体结构设计

系统工作原理图如图2.2所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过7805稳压得到一个+5v电压，该电压作为单片机的工作电源，另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载。单片机定时采样输出端电压，是通过ADC0809传送进单片机里进行处理的，单片机可以根据处理的结果输出更新控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。在系统中，用户根据需要从键盘输入电压，单片机就会根据键盘输入和采样电压差值，更新脉宽，来对输出电压进行稳定控制。

当闭环时，电源就会自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置电压变化时，它先将键盘输入的值与从输出端取样的值相对比，比如当前键盘输入为100v，从输出端取样

的值为60v，差值为40v，则系统会根据差值，跟新脉宽。这就是系统脉宽调制过程。

同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为V0，反馈电压问Vf（Vf=V0），用户设定电压为Vs，当V0=Vs时，偏差为0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即V0>Vs时,单片机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，同样当电网波动使输出电压下降时，即V0

2—5 单片机控制开关电源系统框图

2.4 系统难点分析

2.4.1 如何提高电源的工作频率

困难分析：

现如今开关电源工作频率已经可以达到200千赫兹以上，所以本次设计虽然采用了24M赫兹晶振频率，但开关电源要求的是单片机的处理速度要快，51系列单片机，虽然使用24M的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，但是它的速度仍然比较慢，并且单片机还要做扫面键盘，采样电压，PID控制等很多工作，那么单片机更加慢，虽然可以忽略这方面影响，单片机可通过定时器中断产生40千赫兹频率，但定时器中断产生的脉冲有效电平，即占空比是不可以改变的，只可以是50%，所以要设计输出可调的开关电源，显然行不通。

解决办法：

现在的问题是在于单片机输出的脉冲硬件更改，占空比不可以更改，只可以替换速度

高单片机，但是成本又增加了，所以在选择在软件上解决问题，分为：第一要定义两个变

量，一个占空比D ，一个中期T ，给它们赋于值，T 要大于D ，先让单片机I/O 输出高电平，

让D ，T 同时开始计数，当D 计算到预计值时，I/O 口为低电平，然后低电平一直延续到T

值时，I/O 口输出高电平。改变T ，D 的值可以改变脉冲频率，改变D 值可以控制占空比。

算法为：

D=100，T=1000；//定义变量，并赋值，占空比为100/1000=10%

VOID tim0 ()//定时中断

{P1.0=1;//P1.0输出高电平

D++;//同时计数

T++;

If （D==100）{P1.0=0；}//D 到预计值时，输出的是低电平

If （T==1000）{P1.0=1；//T 到预计值时，输出的是高电平

D=0；T=0；//清零

}

只要单片机时钟频率足够高，可以输出任意的频率。

2.4.2 储能电感的绕制

我们用储能电感目的，是在功率开关管截止的时候，可以为负载存储能量，电气上的

作用是可以把开关方波脉冲积分成直流电压。需是自己绕制，需要最小电感值可以由公式

计算

min

4.1)max (min Iout Ton Vout Vin L -= 式中Ton 为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根据设计前辈们的经验，估计为开关周期的30%是比较合适的。

代入数据求得uH L 8.76min =，取uH L 100=

电感的设计方法为AeAw Ap = 其中Ae 为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面

积，Aw 为电感窗口截面积，NBm L Ae Im =，Kcj

NI Aw =，其中I 为电感电流有效值，j 是 导线电流密度，Kc 是绕组填充的因数，（0<1?Kc ）。B m K c

j I L Ap Im =

?，Bm 为铁心中的磁

通密度。计算出Ap 的值，于手册对照，选用大于Ap 值产品，就可以查到对应铁心的截面积，公式为BmAe

L N Im =确定绕组匝数。 2.4.3 标度转换技术

本次设计使用了ADC0809，这种芯片只能采样0到5V 的电压，所采集回来的电压对

应的是0到255的数字量，而用户从键盘输入的是电压值。

控制系统检测被控对象的参数是有不同数值与量纲。所有这些参数都需要通过变送器

转换为电信号，再通过A/D 转换器或者V/F 变换器转换为计算机所能处理的数字量。必须

把这些数据转换成相应的不同量纲的物理量。这就是标度变换技术。

我们这次设计标度转换为：

键盘输入为：0到12V ；采样0到5V 电压对应数字量为0到255

变换程序：

r=input*255/12;//input 为键盘输入值,r 为转换后的数字量

就是说使预置的0到12v 的转换为0到255的数字量，这样单片机系统才能够进行正

确的比较处理。

2.5 开关变换器的结构分析与选择

开关电源核心是脉冲控制电路与高频开关变换电路。输出电压平均值

)/(Toff Ton Ton Vo +=?Vi ,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（Ton ）与

截止时间（Toff ），达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频隔离变压器与高频变化器。

开关电源的四中组态为：（1）Buck 变换器；（2）Boost 变换器；（3）Buck-Boost 变换器；

（4）CUK 变换器。

2.5.1 降压变换电路分析

这些开关电源是直流供电，它们输入电压总是比输出电压高。

当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止

时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，电容的作用是平滑

输出。电路中负载电阻与开关管是串联，因此称为串联开关电源。

L1

图2—6 Buck 变换器

开关管导通，当电感电流上升到等于Io 时，电容停止向负载供电，此时输出电压达

到最小值。随着电感电流的继续上升，电容开始充电，Vo 从最低值开始上升。当开关管

截止时，电感上电流处于最大，此后电感上电流开始下降，但电流仍比Io 大，所以电容

仍处于充电状态，输出电压Vo 继续上升。当电感电流下降到Io 时，电容停止充电，此时

电容上电压达到最大值。因为电感电流下降，所以电容放电，Vo 从最大值慢慢开始下降。

假设开关管的导通时间为Ton ,截止时间为Tof f ,并且开关管和电感为理想元件，则

DVi Ui Toff Ton Ton Vo =+=*)/(,其中T T on T of f T on T on D /)/(=+=为开关的脉冲占空

比。假设开关管导通状态，截止时间为0，则Vi Vo =；假设开关管一直截止，导通时间为

零，则0=Vo ，随着Ton 与Toff 的比例不同，输出电压Vo 为0—Vo 之间的各种值。

我们来分析该电路的工作原理：开关管导通，发射极上的电压为

Vces Vi Ve -= （2-1）

Vces 为开关管饱和压降，Vi 为输入电压，那么电感电压VL 为dt

dIL L Vo Ve =-,IL 为电感电流，则在经历Ton 以后，开关管截止，此时电感电流最大，电流值为

L Ton Vo Ve IL /)(max -= （2-2）

当这时，电感储能是： L Ton Vo Ve LI WL 2/)(21222-==

，因为电感对电容充电，充电的电量是

L ton Vo Ve Ton IL Q 2/)(max**2

112-== （2-3） 这期间，输入电压给电路能量是

L ton Vo Ve Ve Q Ve W 2/)(2*-*=*= （2-4）

（4）式经过变换得：

22)])()[(ton Ve Vo Ve Vo Ve W **---=/L 2Q Vo LIL *+=max 2

1即

是电感中储存的磁能和电容储存的电能。

当开关管截止后，电感电流不能突变，电感产生感应电势，使得续流二极管导通，电

感通过电路向负载放出能量，若二极管正向导通压降为Vd ，已知电感上的二级管降压与输出电压、电压之间有这样的关系：dt

dIL L Vo Vd =+-)( 我们通过下面的式子算出电感电流由最大值为0的时间，

Vo L IL t *=max ton Vo

Vo Ve *-= （2-5） 开关管截止期间电容充电量是

22

22)(max 21max 212ton LVo

Vo Ve Vo L IL t IL Q *-=*=**= （2-6） 续流二极管作用是使电感电流在开关管截止时可以连续变化，若控制信号的每一个脉

冲都可以完全工作，就会有t ton T +>，那么让电感在导通期间存储的能量，能在t 时间

内，就可以完全释放给电路。

我们可以根据能量守恒定理来证明，

=W VoIoT （2-7）

代入（4）式得T

Q Vo Ve ton LT Vo Ve Vo Ve Io *=*-*=22 （2-8） 所以我们知道了，脉冲周期越小或导通时间越大，输出电流就越大，我们需要提高电

源输出功率时，就可以通过提高开关管的工作频率。

2.5.2 升压型变换电路

升压式开关电源的输出电压总是高于输入电压 Ui ，且极性是相同的。因为负载与开

关管是并联，所以称为并联开关电源。

2.5.3 Buck-Boost 型变换器

极性变换式电源输入电压和输出电压极性是相反的，输入的电压绝对值要低于输出电

压绝对值，否则将和降压式开关电源混淆，当开关管导通时，输入电压加在电感上，产生

电流，电感进行储能，二极管反向截止。晶体管截止时，电感上电流逐渐减小，感应电动

势使二极管导通，给电容充电，电容上的电压与输入电压极性相反。当负载上的电压要跌

落时，电容再次给负载放电，这时可使输出电压高于输入电压。

这几种开关电路都有各自特点，我们的任务要求电源在12到3伏之内可调，但输入

电压为14.3V ，因此采用降压型开关变换电路，通过调制输出占空比为90%到0的脉冲，

使得电源在要求范围之内可以调节。

2.6 开关电路的器件参数和选择

2.6.1 功率开关管的选择

开关管是电源最重要要的工作器件，正确选择，是电源成功制作的基础。

第一，开关管截止时间不可以过长，若截止时间过长，开关管的上一个控制脉冲就已

经结束，当下一个控制脉冲已经到来时，就会造成开关管没有完全关断，就马上就进入下

一个导通周期，这样会造成电源损坏。

第二，开关的导通时间也不可以过长。若开关频率较高，开关管截止与导通的频率频

繁，导通时间过长，就意味开关管有更多时间是在放大状态下工作的，这样开关管功耗就

会迅速增大，电源的效率降低。

我的论文中电源工作频率为24.9千赫兹，根据设计前辈们的经验，功率开关管的导

通时间不宜超过1.49us ，截止时间不可以超过1us 。

当开关管导通的时候。

计算如下：

电感电流的平均值等于负载电流Io ，则有

Io IL IL =+2min max ，流过开关管的电流平均值为Io D T

ton Io T ton IL IL I *=?=?+=2min max ，忽略开关管导通压降，有min max IL ton L

Vo Vi IL +-=，整理方程消去min IL 得到 toff L

Vo Io IL 2max += （2-9） 电流流过开关管最大电流等于电感电流最大值，所以 toff L Vo Io Icm 2+

=，得出额定输出电流是A 1，得出集电极电流小于A 2 当开关管截止的时侯，电源全部输入电压都会加在开关管的发射极两端与集电极。因

此其耐压值就一定要大于集电极输入电压，因为考虑到开关瞬间滤波电感和电网波动所产

生的浪涌电压，选取耐压值为输入电压的2倍。

输入电压为14.4v ，则开关管耐压应大于28.284.14=?v ，根据数据手册，选择的晶

体管型号为D882，耐压值40V ，集电极电流3A ，功率10W 。

2.6.2 滤波电容的选择

电容滤波原理是：利用电容在截止期间释放能量、在整流二极管导通期间储存能量的

作用。滤波一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中的直流

成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。

由于电感电流仍小于输出电流，电容向负载放电，电压下降，产生纹波，在一个脉冲

周期中，电容所释放的电量为T Io *，设纹波电压峰峰值为p Vp -?，则有

C T Io p Vp /*=-??T Io

P Vp C *-?≥ （2-10） 任务要求为,1,100A Io mv p Vp =≤-?因此脉冲频率是25千赫兹，周期us 40

uf A

v C 4104011.06=?*=?-，选取电容量470uf 铝电解的电容。 2.6.3储能电感的选择

开关管饱和导通时，其饱和压降可以忽略，则电感感应电动势为

ton

IL IL L Vo Vi min max -=- （ 2-11） ?min

max )(IL IL Vo Vi ton L --= （ 2-12） 电感电流变化量和负载电流的变化量相等，为了使电感电流在负载电流最小时，仍保

持连续，取min 2min max Io IL IL ≤-，min Io 为负载最小电流。代入式（11）得 ton Io Vo Vi L min 2-≥ ，根据DVi Vo =fVi

Vo ton =? ，所以电感计算是 )1(min 2Vi

Vo fIo Vo L -= （2-13） 负载电流最小值为0.5安，kHz f v Vi v Vo 25,4.14,12===代入公式，算得电感量为

76.8uH ,取电感量为100uH ，电感量越大，储能就越大，因为是在高频下工作，电感选

用磁铁心电感，为防止电感饱和，选择饱和电流为2A 。

2.6.4续流二极管的选择

根据Buck 变换器的工作原理，开关截止时，续流二极管导通，电感的磁能转换为电

能，二极管起到续流的作用，选择超快恢复二极管，根据本次设计的要求，选择电流大于

,5.1A 耐压大于30v 的肖特基二极管。