智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

　　引言

　　與線性電源相比，開關(guān)電源具有諸多優(yōu)點(diǎn)：由于主功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其損耗小，整機(jī)效率大大提高;采用鐵氧體高頻變壓器，使電源的體積和重量大為減少，成本更低等。一些專用電源芯片如TL494、UC3842的出現(xiàn)，也使開關(guān)電源的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，同時(shí)性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關(guān)電源輸出通常為單一狀態(tài)，若要改變輸出狀態(tài)要對(duì)硬件電路進(jìn)行修改。筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種單片機(jī)控制的數(shù)字化開關(guān)電源，有效的改善了上述問題。

　　1 數(shù)字化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理

　　筆者設(shè)計(jì)的數(shù)字化開關(guān)電源額定功率12OW。系統(tǒng)以開關(guān)電源作為基本電路，采用高性能單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，在控制算法的支持下，通過對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并與軟件給定值相比較，控制和調(diào)整開關(guān)電源的工作狀態(tài)，得到期望值。主要包括輸入的整流濾波校正、功率變換、輔助電源部分、驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)5部分。功率變換部分采用單端反激變換電路，輔助電源為驅(qū)動(dòng)電路提供電能，驅(qū)動(dòng)電路將來自單片機(jī)的PWM 信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)主功率晶體管，單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)電路的控制核心，通過采樣值的變化實(shí)時(shí)控制輸出PWM 的占空比。整個(gè)設(shè)計(jì)力求做到了性能最優(yōu)，成本最低。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 主電路分析

　　功率轉(zhuǎn)換部分采用單端反激電路，結(jié)構(gòu)如圖2。當(dāng)加到原邊主功率開關(guān)管Q1的激勵(lì)脈沖為高電平使Q1導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓加在原邊繞組兩端，由于此時(shí)副邊繞組相位是上負(fù)下正，整流管D1反向偏置截止，原邊電感儲(chǔ)存能量;當(dāng)激勵(lì)脈沖為低電平使Q1截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?fù)，整流管正向偏置導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)存的能量向副邊釋放。在此開關(guān)過程中，高頻變壓器既起變壓隔離作用，又起電感儲(chǔ)能作用。

　　1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)字化電源的核心部分。

　　單片機(jī)采用Freescale公司的68HC908SR12，其內(nèi)部資源豐富，集成了12k的程序存儲(chǔ)器，2路定時(shí)/計(jì)數(shù)器，14通道1o位A/D轉(zhuǎn)換器，PWM輸出，內(nèi)部溫度傳感器等。單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖3。

　　ATD0、ATD10分別是電壓電流采樣引腳，將采到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送至CPU。CPU每隔lms進(jìn)行一次控制調(diào)整，從而輸出占空比合適的PWM信號(hào)。PWM 信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后直接控制主電路的開關(guān)管。由于908SR12內(nèi)自帶脈沖寬度調(diào)制模塊，PWM最大頻率達(dá)到125kHz，完全可以用在高頻開關(guān)電源中，8位的分辨率，可以保證輸出電壓電流的精度。鍵盤部分采用觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)，使用者可以根據(jù)自己需要在額定功率下任意調(diào)整輸出電壓電流值。

　　整個(gè)回路采用雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，正常情況下電壓環(huán)的反饋使輸出電壓恒定，一旦輸出電流超出最大值，電流環(huán)使輸出電壓降低，輸出電流維持在最大電流值。顯示部分可以由數(shù)碼管或液晶組成，本系統(tǒng)中通過按鍵選擇分別顯示電壓、電流、功率、溫度、電能計(jì)量等，并通過指示燈指示不同狀態(tài)。在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)開路或短路現(xiàn)象，指示燈顯示報(bào)警狀態(tài)，CPU會(huì)立刻啟動(dòng)保護(hù)程序關(guān)閉主電路。同時(shí)不斷檢測(cè)電源內(nèi)部溫度，防止整機(jī)溫升過高。

　　1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　由于單片機(jī)輸出5V 1vrL電平不足以驅(qū)動(dòng)主功率開關(guān)管，并且在整個(gè)電路中原副邊完全電氣隔離，因此單片機(jī)輸出PWM信號(hào)不能直接與主功率開關(guān)管相連。另外主功率開關(guān)管的溫升直接影響到整套設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。提高開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷速度是解決開關(guān)管溫升問題最本質(zhì)有效的方法。這就要求驅(qū)動(dòng)電路具有以下特點(diǎn)：

　　(1)能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，即驅(qū)動(dòng)電路的充電電阻要充分小，以縮短導(dǎo)通時(shí)間;

　　(2)具有足夠的泄流能力， 即放電電阻要充分小，以提高其關(guān)斷速度;

　　(3)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓， 驅(qū)動(dòng)電壓一般取12V 比較合適。

　　考慮到原副邊的電氣隔離，設(shè)計(jì)了以下驅(qū)動(dòng)電路，如圖4。

　　PWM為單片機(jī)輸出的占空比信號(hào)，經(jīng)過光耦與原邊相連，滿足了原副邊的電氣隔離要求。反相器U2實(shí)現(xiàn)了TTL電平到CMOS電平的轉(zhuǎn)換。PWM信號(hào)為高電平時(shí)，U2輸出高電平，T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電源對(duì)開關(guān)管的柵源間電容充電，使之迅速達(dá)到開關(guān)管的開通閾值電壓，開關(guān)管迅速導(dǎo)通;PWM 信號(hào)為低電平時(shí)，U2輸出低電平，T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通，開關(guān)管柵源間電容通過T2迅速將電量放出，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的迅速關(guān)斷。該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定且具有很高的驅(qū)動(dòng)速度，可取代價(jià)格較高的驅(qū)動(dòng)芯片。

　　2 系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)流程圖如圖5。

　　為了改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)處理程序中對(duì)PWM 的占空比規(guī)定了上下限， 以防連續(xù)采樣時(shí)出現(xiàn)較大偏差，對(duì)PWM 進(jìn)行限幅處理。另外若出現(xiàn)意外情況，單片機(jī)會(huì)及時(shí)關(guān)斷PWM，以防輸出電壓或電流過大而損壞晶體管。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　在采集大量數(shù)據(jù)分析后得到以下結(jié)論：該開關(guān)電源工作在恒壓模式時(shí)，輸出值與期望值誤差不超過30mV~工作在恒流模式時(shí)，輸出值與期望值不超過40mA;整機(jī)效率在85 以上，主功率開關(guān)管的溫升在40℃左右，高頻變壓器溫升低于60℃，完全適應(yīng)于一般場(chǎng)合下的電能供應(yīng)要求。

　　以單片機(jī)為核心的開關(guān)電源，不僅有助于提高開關(guān)電源的精度，也使得開關(guān)電源更加智能化。智能化也是今后電源發(fā)展的一個(gè)方向，因此本文設(shè)計(jì)的以單片機(jī)為核心的可編程電源供應(yīng)器具有較高的使用價(jià)值。