毕业设计论文数字程控直流电源的设计.doc

数字程控直流电源的设计

郑州轻工业学院
本科毕业设计（论文）

题 目 数字程控直流电源的设计
学生姓名
专业班级 电子信息工程07-2班
学 号 200701030237
院 （系） 电气信息工程学院
指导教师 胡智宏
完成时间 2011年06月 05日

郑州轻工业学院电气信息工程学院
本科毕业设计任务书

题目 数字程控直流电源的设计
专业 电子信息工程 学号 姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
一． 主要内容
直流电源被广泛地应用到多种场合，课题要求设计程控直流电源，要求输出电压可调，具有保护功能。
二． 基本要求
1 学习直流电源的工作原理
2 学习MCU的相关知识
3 选定电源设计方案，建议优选开关电源设计
4 要求所设计电源输出总功率大于300W
5 输入电压为DC110V
6 电压调节范围0~72V，输出电流大于3A
7 设计充电电压和电流测量电路，设计键盘和显示接口
8 编写相关程序编译仿真通过
9 如果进度可行，试制实际电路系统
10 毕业设计完成后，要求提交论文，包括详细的设计说明、图纸等技术资料
11 翻译英文资料一份
三． 主要参考资料
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1 《现代电源设计大全》
2 《单片机应用系统设计与产品开发》，冯建华，人民邮电出版社
3 《新型单片开关电源设计与应用技术（世纪新版）》，沙占友等
完 成 期 限： 2011.03～2011.06
指导教师签章：
专业负责人签章：
2011 年 3 月 1 日

数字程控直流电源的设计
数字程控直流电源的设计

摘 要

直流电源被广泛地应用到各种工业场合。按照电路中调整管工作方式的不同，直流电源可以分为线性电源和开关电源。线性电源精度高，但效率低，开关电源体积小，效率高。课题要求设计输入直流110V，输出0~72V可调，输出电流大于3A，考虑功率较大，故选用效率高的开关电源。
根据课题要求，设计选用PWM方式对输入进行斩波调压，控制开关管占空比的PWM由单片机产生。为了使输出电压稳定，对输出电压进行测量，通过软件调节算法得到PWM的占空比，输出给功率MOS管，形成闭环控制。为了防止负载电流过大对电源造成损坏，检测输出电流，并设置了过流保护。电路还扩展了数码管显示和键盘，输出电压和电流可以实时显示和调整。通过软硬件相结合，完成了数字程控直流电源的设计。

关键词 直流电源 程控 单片机 PWM

DESIGN OF DIGITAL PROGRAM-
CONTROLLED DC POWER SUPPLY

ABSTRACT

DC power supply is used widely in many industry areas. According to the difference of the way that transistor works in the circuit,DC power includes linear power supply and switching power supply .Linear power supply has high precision,but its efficiency is low. Switching power supply has samll size and high efficiency . The task requires a power supply that DC 110V to input, adjust from 0 to 72V to output,and its output current is above 3A.According to its high power,it chooses switching power supply whose efficiency is higher.
Base on the requirements of the task,this paper choose the way of PWM to cut the input in order to adjust the output voltage .The waveform of PWM that control the pluse duration ration of the MOSFET is produced by a microcontroller unit .To promise the stability of output voltage,it designs the feedback adjust circuit,and measures output voltage.Through the soft adjust algorithm,it gets the fixed pluse duration ration,and sends to the power MOSFET,so it forms a closed loop.To prevent the harm of the power supply formed by the heavy load current,it measures the output current ,and setup the current limitted protection.
Measureing the output current is for the protection of the circuit. The circuit also expands the nixie tubes and keys,so it can get the real time show and adjustment of the output voltage and current.Conbine the hardware with the software, the design of a program-
controlled DC power supply is completed.

KEY WORDS DC power supply Program-controlled Microcontroller unit PWM

目 录

中文摘要 I
英文摘要 II
1绪论 1
2 概述 2
2.1直流电源的分类与比较 2
2.2开关电源的工作原理 3
2.3 DC-DC 转换器的调制方法 4
3系统方案的设计及论证 6
3.1 设计任务及要求 6
3.2系统方案的选择与论证 6
3.4 设计难点 14
3.5系统设计方案框图 15
3.6开关电路元器件参数的计算 16
4硬件设计 19
4.1电源主电路 19
4.2单片机最小系统 20
4.3显示电路 23
4.4 按键电路 24
4.5 声光报警电路 25
4.6 下载电路 25
4.7 辅助电源电路 26
5 软件设计 27
5.1 总体编程思路 27
5.2主程序流程图 27
5.3 AD转换子程序 28
5.4 键盘扫描子程序 28
5.5 电压调节程序 29
5.6 动态显示子程序 30
6 总结 31
致 谢 32
参考文献 33
附 录 34
附录1 源程序 34
附录2 系统总电路图 44

数字程控直流电源的设计
1绪论
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自源，因此，电源越来越受到人们的重视。
直流电源被广泛地应用到各种工业场合。直流稳压电源主要分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。开关稳压电源取代晶体管线性稳压电源已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制-PWM开关电源效率可达 65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHz革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压电源输出电压和输出电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。输出电压和电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
本文选择效率较高的开关电源作为研究对象，利用单片机输出PWM波，控制直流降压电路中开关管占空比，输出电压。通过A/D转换，采样系统输出电压和电流，用LED显示模块来显示电压电流，通过键盘预置电压，实现程控直流电源的设计。
2 概述
2.1直流电源的分类与比较
按电源电路中功率管的工作方式划分，电源可以分为开关电源与线性电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源，其功率管工作在线性放大区。开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电源的缺陷，但其自身也有一定的不足。
2.1.1 线性电源
线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音，但其体积相对开关电源来说，存在几方面的缺点：
（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；
（2）体积大、重量大，不能小型化；
（3）必须有较大容量的滤波电容。
造成这些缺点的原因是：（1）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。功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比。这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。（2）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，他的效率只有80%-90%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量。
2.1.2开关电源
与线性电源相比，开关电源的优点有以下几点：
（1）功耗小，效率高。在图1.1所示的开关稳压电源电路中，开关管在激励信号的激励下，交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态。开关转换频率一般为50kHz左右，这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度的提高，其效率可以达到80%以上。
（2）体积小，重量轻。开关型稳压电源电路结构中没有笨重的工频变压器。由于晶体管的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片，所以开关稳压电源实现了体积小，重量轻。
（3）稳压范围宽。开关型稳压电源的输出电压是激励信号来调节的，输入信号电压的变化可以调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它能够保证有较稳定的输出电压。所以开关稳压电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。
（4）滤波电容的容量和体积减小。目前开关电源的工作频率基本上是工作在50kHz，是线性电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关型稳压电源时，滤波电的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/1000。
开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。在开关稳压电源中，功率调整晶体管工作在开关状态在其开关过程中产生的交流电源和电流，通过电路中的其他元
件会产生尖峰干扰和谐振干扰，会严重地影响整机的正常工作。
通过上述比较，本设计中选用效率较高的开关电源来实现程控直流电源的设计。
2.2开关电源的工作原理
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作控制开关器件的占空比来调整输出电压。DC/DC转换器进行功率转换，是开关电源的核心部分，此外，还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测电压变化，并与基准电压比较，然后误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路后，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压的目的。原理框图如图2.1所示。

图2.1 开关电源的基本构成
2.3 DC-DC 转换器的调制方法
开关电源电路的调制方式主要有：脉冲宽度调制（PWM） 、脉冲频率调（PFM） 、PWM/PFM 混合三种调制方式，目前 PWM、PFM 应用最多。PWM方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽” ；PFM 方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率来改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频” 。
2.3.1 脉宽调制（PWM）
脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比D实现对输出电压的调整。PWM技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此PWM 技术普遍应用于通信技术中。
目前 PWM控制方式在开关电源中使用普遍，具有以下优点：电压调整率高，线性度好，输出纹波小，适用于电流或电压控制模式，在负载较重的情况下效率很高。但也存在输入电压调制能力差，轻负载时效率下降厉害的缺点。
2.3.2 脉频调制（PFM）
经典 PFM也叫跨脉冲调制（PSM），以开关管控制信号，略过一部分时钟周期而得名） 。经典脉频调制是一种最简单的控制技术，在该方式下固定时钟被定为 50%占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。
最近几年PFM控制方式在开关电源中使用日益增多，具有以下优点：在轻负载下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。
2.3.3 PWM和PFM混合控制
PWM/PFM 结合的方式，这种控制方式可以通过检测芯片电流对脉冲的频率、占空比进行调整。当负载电流较大时，芯片工作在连续的PWM模式；而当负载较小时可以通过PFM的工作方式，间歇的控制开关管的工作，以减小开关管的功率损耗。
它采用高低不同的电压门限将输出电压限制在预先设好的电压波动范围内。当输出电压低于低门限时，唤醒控制电路，控制开关管工作，对输出电容充电。当输出电压高于高门限时，使控制电路处于睡眠状态，同时将功率开关管关闭，由输出电容提供输出能量，直到输出电压再次低于低门限。这样在轻负载条件时，功率开关管有较长的关闭时间，在静态（负载为零）时几乎不输出脉冲，从而减小了功率开关管的能量损耗，同时，系统内部部分电路可以关闭，最终提高了转换效率。这样就继承了 PWM、PFM 的优点，同时有效地克服了他们的缺点。使变换器在任意负载时的效率、电压跟随率、静态功耗等方面获得优异的性能。其缺点是电路设计较复杂，间歇工作模式下噪声较大、纹波高。

3系统方案的设计及论证
3.1 设计任务及要求
3.1.1 设计任务
课题要求设计程控直流电源，要求输出电压可调，具有保护功能；
要求设计硬件原理图；
编写相关程序编译仿真通过；
3.1.2 设计要求
选定电源设计方案，建议优选开关电源设计。
要求所设计电源输出总功率大于300W。
电压调节范围0~72V，输出电流大于3A。
要求能够方便地调节输出电压和限制电流。
设计充电电压和电流测量电路，设计键盘和显示接口。
3.2系统方案的选择与论证
3.2.1开关变换器结构分析与选择
开关变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。开关稳压器拓扑结构分为非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件变压器来实现）两种基本类型。下面主要介绍非隔离拓扑结构，其具体电路主要有4种。
（1） Buck电路

图3.1 Buck变换器电路原理图
Vd 为输入电源，VT是主开关管，因其源端接电源 Vd，适宜选用低电平导通的 PMOS管。二极管是辅助开关管，也叫整流管，一般使用具有较低正向电压的肖特基二极管。Vp 是VT的控制信号，由控制电路提供，RL 表示负载电阻。
在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，VT 导通，X点高电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由输入电源，经电感 L 到电容 C 和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由输入源传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使 VT截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使 X 点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通压降，二极管 D 导通，为电感电流提供通路，电流由电感 L 流向电容 C 和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源。它们的输出电压与输入电压的关系为
(3-1)

（2） Boost电路
Boost开关电源的输出电压总是高于输入电压 Ui，并且极性是相同的。

图3.2 Boost变换器电路原理图
Vd 为输入电源。VT是主开关管，因其源端接地，适宜选用高电平导通的NMOS 管。二极管是辅助开关管，使用具有较低正向电压的肖特基二极管。VT的控制信号，由控制电路提供，RL表示负载电阻。由于开关管和负载是并联的，也称它为并联开关电源。
在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，VT导通，X点低电位,二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经电感 L、开关管VT 到地，电感电持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使VT截止，切断地和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使 X 点电位升高到比Vo还高一个二极管的正向导通压降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电感流向电容和负载，感电流随时间下降，能量由电感流向负载。
经电感 L，电容C滤波，在负载 RL 上可得到脉动很小的直流电压。
它们的输出电压与输入电压的关系为
(3-2)

（3） Invert变换电路
Invert转化器将输入电压转换成稳定的反相较低值或较高值的输出电压，又称负电压开关电源。

图3.3 Invert变换电路原理图
在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，VT导通，X 点高电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经过VT、电感 L 到电容C和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使开关管截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使 X点电位降至比Vo还低一个二极管的正向导通压降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电容 C 和负载流向电感 L，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。经电感 L，电容C滤波，在负载上 RL 可得到脉动很小的直流电压。它们的输出电压与输入电压的关系为
(3-3)
，

(4) Cuk 变换器

图3.4 Cuk 变换器原理图
当开关 VT导通时，输入电流使得 L1储能，C1的放电电流使 L2储能，并给负载供电，流过开关 VT的电流为输入、输出电流之和。当开关断开后，电源输入和 L1 的释能电流向C1充电，同时L2的释能电流 I2 以维持负载。流过二极管的电流为输入、输出电流之和。
通过分析，根据题目中要求实现输入110V直流，输出电压0~72V可调，故可采用buck电路，将110V的直流电源进行直流斩波，通过PWM调节开关管的占空比，可实现输出电压可调。
3.2.3功率开关管的类型选择
目前主要用到两种功率开关双极型功率晶体管（BJT）和功率MOSFET。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)一般用在功率更大的工业应用场合，比如功率远大于1KW的电源和电动机驱动电路。与MOSFET相比，IGBT的关断速度比较慢，所以通常用在开关频率小于20kHz的情况。
开关电源中功率管主要关心器件的导通电阻（或压降）和开关速度。功率晶体管的导通压降和开关速度都与其电压定额有关。电压定额越高导通压降越大，开关时间越长。因此，在满足 1.2~1.5 倍工作电压外，尽可能选择电压低的器件。
（1）BJT：靠电流驱动基极。
为降低晶体管的导通损耗，一般功率管导通时为过饱和状态。但这样增大了存储时间，降低开关了速度。为了减少存储时间，晶体管在关断时一般给B－E 极之间加反向电压，抽出基区过剩的载流子。如果施加的反压太大，B－E 结将发生反向齐纳击穿。一般硅功率晶体管 B－E 反向击穿电压为5~6V。为避免击穿电流过大，需用一个电阻限制击穿电流。
（2）MOSFET：靠电压驱动栅极，只要在栅极和源极（漏极）之间加一定正电压（N沟道），就能导通。功率 MOSFET可以工作范围很广，低电压下几十瓦达1MHz以上；数千瓦可达数百 kHz。器件导通电阻很小，随电压定额提高，导通电阻随电压增加指数增加。
（3）IGBT: IGBT结构相似于 MOSFET与 BJT符合管。具有 MOSFET的绝缘栅极输入特性－电压驱动和相似BJT 的导通压降。但是由于 BJT 的基极未引出，导通剩余载流子复合时间长，关断时间长－严重拖尾现象；输出管是 PNP结构，导通压降一般比 NPN结构高。器件电压定额一般 500V以上，电流从数十安到数千安。最适宜变频调速和高功率变换。电压电流越大，可工作的频率就越低。
通过比较，本设计中采用MOSFET作为功率开关管。
3.2.3开关管的驱动电路
 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。
   NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
   PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。
跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
   第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。
这里我们采用的是自举升压电路。自举电路的本质就是利用电容两端电压瞬间不
能突变的特点来改变电路中某一点的瞬时电位。在自举电容预充电期间,二极管必须能够快速为电容充电,以满足升压对电荷的需求。这可以通过增加二极管的并联数量实现。在自举升压期间,二极管必须能够阻止高压对电源110V回馈电流,所以应选择快恢复二极管。如果电路工作频率比较低,那么二极管的反向漏电流也要相应较小。
本文中选用NMOS场效应管，驱动电路采用光耦驱动，起到模拟电路与数字电路的隔离作用。
3.3.4 开关电源控制部分
考虑到需要进行显示，调节电压等方面的要求，可以选择单片机作为整个电源的控制核心，不仅可以控制开关电源，同时还可以扩展人及接口，使整个系统简化，系统成本降低。单片机控制开关电源，单从对电源输出的控制来说，可以有几种控制方案。
方案1：单片机输出一个电压(经DA芯片或PWM方式)，用作电源的基准电压。这种方式仅仅是用单片机代替了原来的基准电压，可以用按键输入电源的输出电压值，单片机并没有加入电源的反馈环，电源电路并没有什么改动，这种方式最简单。
方案2：单片机扩展AD，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，调整DA的输出,控制PWM芯片，间接控制电源的工作.这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节，单片机的程序要采用比较复杂的PID算法。
方案3：单片机扩展AD，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PWM波，直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。
通过比较，选择第三种方式作为本设计中单片机控制开关电源的方式。
3.3.5 反馈回路
对输出电压采样，一般的做法是将输出电压进行分压取样，这是由于电源的输出电压可能超出AD转换的测量范围。对电流采样，可转换为测串联在输出端的电阻的电压，然后利用欧姆定律变换为电流，即输出电流。该电阻必须是精密电阻，主要特点是耐高温，当环境温度升高后，它的阻值变化与碳膜电阻相比，变化很小，高频特性好，精度高，对于输出电流的变化比较敏感。阻值不能过大，否则会对输出电压影响较大，一般取0.1欧。
采集数据的处理需要AD转换器。前面选择的STC单片机带有AD，所以不需要专门的AD转换芯片了。STC12C5410AD 系列带A/D 转换的单片机在P1 口，有8 路10 位高速A/D 转换器, 速度可达100KHz。P1.7 - P1.0共8 路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1 口为弱上拉型I/O 口，用户可以通过软件设置将8 路中的任何一路设置为A/D 转换，不需作为A/D 使用的口可继续作为I/O口使用。需作为A/D使用的口需先将其设置为高阻输入或开漏模式。在P1M0、P1M1中对相应的位进行设置。
3.3.6 显示部分
为了方便人们获知当前电压电流的状态，可对输出电压电流进行显示。显示器件一般有LED数码管显示和液晶显示。液晶显示不仅能显示数字，还可以显示字符，但是价格较贵，控制复杂；LED显示只能显示数字，但控制简单，价格较低。本设计要显示的电压电流均为数字，所以采用数码管显示。
数码管显示方式有两种：静态显示和动态显示。
（1）静态显示
静态显示的特点是每个数码管必须接一个8位锁存器用来锁存待显示的字形码。送入一次字形码显示字形一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。
（2）动态显示
动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
经过比较，这里选择动态显示方式。
数码管常用的驱动芯片有74LS164和74HC595，74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。
74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。
74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。与164只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。本设计选用MC74HC595作为数码管驱动芯片。
3.3.6 键盘部分
设计要求对输出电压可调，这里可以采用按键输入预设电压，由于按键数目较少，可以与单片机I/O口直接相连，使得软件编写较为简单。本设计设有四个按键，具体功能如下：
S1————“+”
S2————“-”
S3————“确定”
S4————“—>”
按键控制设计思想：只有当按键S4时，数码管的数字才会闪烁，进入调节状态数字闪烁时若按键S1或S2按下时，进行运算，当确定电压后对PWM进行重新设置，使输出电压发生变化，实现电压调节的目的。
3.3.7 系统供电管理
110V直流电压的实现可以通过变压器将220AC变换，经整流滤波后输出，但考虑到输出功率要300W以上，加上电路损耗，这就需要更高的输入功率，这样以来，满足要求的变压器就十分昂贵，故采用市场上现有的110V直流电源作为输入，不再采用变压器变换。
根据电路中数字部分集成电路的供电需求，本设计中需要产生两路独立电源，一路为单片机及其外围芯片供电，另一路为光耦供电，起到隔离的作用。单片机的电源采用USB供电，光耦则用三端稳压器的输出供电。
3.3.8 保护电路
当输出电压过低，或负载很小时，为了提升功率，输出电流会相应增大当电流大于一定范围时，会烧毁芯片，导致严重的后果。为了避免上述情况，电路应进行限流保护，当输出电流达到限流值后，自动关闭电源。考虑到成本问题，利用单片机软件编程来实现，当输出电流大于限制电流时，单片机改变占空比，关断开关管，在进行电路保护的同时，也发出声光报警，显示电路处于异常状态，直到电路恢复正常。该直流电源的最大输出电流为6A，限流值与最大值之间一般留有裕量，取最大值的110%~130%,这里取7A作为限流值。
3.4 设计难点
现代开关电源的工作频率已经可以达到300千赫兹，单片机产生的PWM频率是否足以满足开关电源的需要？下面进行简单的计算分析。
对于MCS-51来说，假设51单片机晶振频率为12MHz。51单片机内部含有两个16位可编程定时器/计数器，可设置计数器位数16位，13位，8位。
计数器位数16，振荡周期12分频后脉冲计数，则计数一次为1us，每个PWM周期为65536us，频率为1*1000000/65536=15Hz。频率太低，导致开关电源严格的电惯性。
计数器位数13，振荡周期12分频后脉冲计数，则计数一次为1us，每个PWM周期为8192us，频率为1*1000000/8192=122Hz。音频范围之内，不可忍受。
计数器位数8，振荡周期12分频后脉冲计数，则计数一次为1us，每个PWM周期为256us，频率为1*1000000/256=3906Hz。音频范围之内，且频率远远低于现阶段开关电源的频率范围。
解决办法：寻找一种运算速度快,能够输出足够高频率PWM且价格又较低的单片机.通过查阅资料，对比其他不同种类单片机，STC 12C5410AD为 1T 8051 单片机，可满足上述要求。它的内部带有4路PWM输出，可输出不同频率的PWM。假设晶振采用12MHz，PWM为8位，其时钟频率选择，其 PWM的频率为，符合开关电源的要求。
3.5系统设计方案框图
经过分析与比较，系统原理框图如下：

图3.5 系统方案设计框图
3.6开关电路元器件参数的计算
3.6.1开关管的选择
首先进行“黑箱”预先估计：
输出功率300W
输入功率：
功率开关损耗：
续流二极管损耗：
输入电流：
估计峰值电流：
在开关管截止时，电源的全部输入电压都加在开关管的集电极和发射极两端。所以其耐压值就必须大于集电极的输入电压，同样考虑到电网波动和开关瞬间滤波电感所产生的浪涌电压，取其耐压值为输入电压的2倍。
DC/DC模块的输入电压为110V，所以开关管的耐压值必须高于110V,否则会使开关管损坏，设计中考虑到留有一定的裕量，应至少大于150V。根据数据手册，功率开关管选择IR公司的N沟道场效应管IR630，耐压值为200V，漏极电流最大为9A，功率为 25W。
3.6.1 电感值的计算
电感值是由负载电流纹波电流、最小和最大输入电压决定的。开关管饱和导通，其饱和压降可以忽略，则电感感应电动势为
(3-4)
式中，——输入电压；
——输出电压；
——开关管导通时间；
——纹波电流；
根据，得，则电感的计算公式为
(3-5)
电感电流变化量与负载电流的变化量相等，为保证电路工作在连续传导模式(CCM)，最大的纹波电流应该小于两倍的最小负载电流，即。
这里取，所以，电感值
(3-6)
3.6.3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，二极管正向额定电流必须大于负载电流，其耐压值必须大于输入电压，同时为了使二极管的截止到导通的转换时间尽量的短，选择超恢复二极管，根据本次设计的要求，选择电流大于10A，耐压值大于160V的超恢复二极管。
3.6.4滤波电容的选择
滤波电容决定输出电压的纹波，为了减少纹波电压，输出端的滤波电容选用低串联等效电阻的优质电容，另外，可以通过并联两个电容来获得低的等效串联电阻，假设输出滤波电容选择为470uF，则可以取大于该数值一半多的电容量的电容来并联，例如，可以取两个250uF的电容，来并联。
电源通电后，电容器充电，电压值迅速上升到最大值由于电感电流仍然小于输出电流，电容器向负载放电，电压下降，产生纹波电压，在一个周期内，电容所释放的电量为,设纹波电压的峰峰值，则有
(3-11)
故， (3-12)
选择2200uF/220V的电容作为滤波电容。

4硬件设计
4.1电源主电路

图4.1 开关变换及输出滤波电路
电源主电路