1.3 本课题的主要研究内容
目前在小功率开关电源的设计中，普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术。使用专用PWM控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，但它的智能化程度低人机交互性能差。针对这一现状，本文采用以AVR单片机为控制核心设计出的小功率数控稳压开关电源，可以克服以上缺点。
本文以Buck变换器为研究对象，设计了一个可控的开关电源。分析变换器的工作状态，连续模式（Continuous Conduct Mode，简称CCM）和断续模式（Discontinuous Conduct Mode，简称DCM）以及各自的特点、应用场合，论证了两种工作状态的临界模式，从电路参数的角度明确了二者的界限，为后面的设计奠定理论基础；通过对整个变换器系统建立准确的数学模型，对此变换器的电路结构做了进一步的研究，定性、定量地分析了变换器各部分的工作状态，为仿真和实验参数的确定以及电路参数的优化提供理论依据；从稳态分析的角度，为系统建立了动态小信号状态方程并推导出系统的传递函数，利用matlab对系统进行仿真，进而根据仿真结果对系统进行校正；最后，在前面所做工作的基础上，结合设计要求计算出此变换器系统中每个元器件的数值，搭建了硬件电路。实验电路的实验结果表明：该变换器的各项性能指标达到了设计要求，验证了设计方案的可行性以及理论分析的正确性。
在研究分析了Buck型DC/DC变换器建模方法的基础上，使用PID控制策略。通过对Buck变换器和进行建模仿真验证了这种控制策略，仿真结果表明，该算法具有很好的动态响应，非常适合于对DC/DC变换器动态性能要求比较高的场合。为了实现这种控制策略，本文以AVR的ATMega16为核心控制器件，以Buck变换器为试验平台设计了系统硬件电路，并通过软件编程最终进行了实现。试验结果表明这种控制策略具有很好的控制性能，算法实现比较简单，同时控制模块设计简单，可靠性高，是一种比较实用、易于实现的控制算法。
系统采用AVR单片机作为开关电源的控制核心，其工作原理为：利用AVR单片机片上集成A/D，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出脉冲调制信号，直接控制功率开关脉宽的大小。电路主要部分包括整流滤波模块、开关电源控制模块、过流保护模块、LCD液晶显示模块等。根据实际要求，合理选用MOSFET功率器件，自制电感并配置系列。
2 开关电源基本原理概述
2.1 开关电源基本原理
2.1.1 开关电源基本构成
开关电源的基本电路由“交流-直流变换电路”、“开关型功率变换”、“控制电路”和“整流滤波电路”等组成如图2.1所示，.输人的电网电压通过“交流一直流变换电路”中的整流器和滤波器变换成直流电，该直流电源作为“开关型功率变换器”的输入电流，经过“开关型功率变换器”将直流电转变为高频脉冲方波电压输出给“整流渡波电路”，变成平滑直流供给负载，控制电路则起着控制“开关型功率变换器”工作的作用。
输输 UiAC-DC输输输输输输 Uo输输输输输输输输输输输输输输输输输输输输
图2.1
开关电源原理图
就图2.1的每一部分的作用、原理分别简述如下：
（1） 输入滤波器：消除来自电网的各种干扰，如电动机启动，电器开关的合闸与关闭，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
（2） AC-DC变换电路：将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。
（3） 功率变换器(DC/AC)：它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
（4） 输出整流滤波：将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。
（5） 控制电路：检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。
2.1.2 开关电源的分类
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类。
1．DC/DC类开关电源DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变成可变的直流电压，也称为直流斩波器，其工作方式有两种：一是脉宽调制方式，T不变，改变t，二是频率调制方式，t不变而改变T(易产生干扰)。具体电路分以下几类[3-5]
：
（1） Buck电路一一降压斩波器，其输出平均电压低于输入平均电压，极性入出相同；
（2） Boost电路一一升压斩波器，其输出平均电压高于输入平均电压，极性入出相同；
（3） Buck-Boost电路一一降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入出相反，电感传输；
（4） Cuk电路一一降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入出相反，电容传输。
2．AC/DC变换器AC/DC变换器是将交流变换成直流，其功率电流流向可以是双向的。功率电流流向负载的称为“整流”，功率电流流向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器按电路的结构方式可分为半波电路和全波电路;按电路的特点可分为不可控、半控和全控三类：按电源相数可分为单相、三相和多相;按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。
3．.电路结构开关型稳压电源的电路结构有多种： （1）按驱动方式分，有自励式和他励式；
（2）按DC/DC变换器的工作方式分，有单端正激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等；
（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型；
（4）按控制方式分，有脉宽调制式、脉冲频率调制式和PWM与PFM混合式；
（5）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式等。
2.2 PWM开关电源基本原理
早在20世纪60年代Buck开关电源就开始应用于电子设备中，它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。使用合适的LC滤波器可将方波脉冲平滑成较小纹波的直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影响。
开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线
性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管前要经过一个电压脉冲变换单元。 2.2.1 Buck开关电源的拓扑结构
图2.2
Buck变换器原理图
（1）各元器件功能
Q开关管；D继流二极管，在toff时为IL提供回路；L输出滤波电感，起储能作用；C输出滤波电容，起储能作用。
（2）电路各点波形
vbeILmaxiLILmaxiSiDiCvLVin-VovbettILminILminILmaxILminiLtILmaxtiStILmaxtiDttILmaxttVin-VoiCvLtToffTon-Vo-VotTonToff
图2.2（a）电感电流连续（CCM） 图2.2（b）电感电流不连续(DCM)
2.2.2 稳压原理
设占空比D，由图2-1所示，当开关Q导通时，忽略Q上损耗的压降，T流过电感的电流为i：它呈线性增长，由电感的状态方程可得
diLL?VIN?VOUTdt
(2.1)
当开关K1关断时，二极管Dl反向导通续流，流过电感的电流i：减小，忽略Dl上的损耗，电感L的状态方程为
diLL??VOUT dt(2.2)
关电源处于CCM时，开关的导通时间为DT，电感电流的变换量为(VIN?VOUT)DTV(1?D)T，开关的关断时间为(1?D)T，电感电流的变换量为OUTLL在稳定状态时，一个周期内电感电流的变化量为零，因此
(VIN?VOUT)DTVOUT(1?D)T?
LL(2.3)
VOUT?DVIN
(2.4)
公式 (2.4)表明，稳态时开关电源的输出电压是一个常数，其大小与占空比D和电源输入电压成正比。当电源电压变化时，系统通过调整占空比来获得稳定的输出电压
开关电源处于DCM(不连续工作模式)时，电感的初始电流为0，导通时间内