基于單片機(jī)控制的程控開關(guān)電源研究

近年來，人們不斷地應(yīng)用單片機(jī)在開關(guān)電源控制方面尋求一種設(shè)計(jì)較為合理的解決方案。較為常見的解決方案有兩種。(1)模數(shù)混合基本形式。①單片機(jī)只是承擔(dān)智能檢測與智能控制任務(wù)，電源的控制仍是一般開關(guān)電源的控制模式[1];②由單片機(jī)輸出一個(gè)電壓(經(jīng)DA芯片或PWM方式)用作電源的基準(zhǔn)電壓，同時(shí)還必須有功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路芯片（PWM產(chǎn)生電路）。這種方式僅僅是用單片機(jī)代替了原來的基準(zhǔn)電壓，用按鍵輸入電源的電壓值來改變輸出電壓，單片機(jī)并沒有加入電源的反饋環(huán)[2]。(2)利用單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測電源的輸出電壓和電流，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差控制逆變器，改變功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行輸出電壓調(diào)整，在方案過程中，實(shí)現(xiàn)使用了PFM方向PWM兩種波形控制技術(shù)的軟件編程方法[3]，使得實(shí)現(xiàn)技術(shù)過于復(fù)雜。
為此，本文提出一種新的單片機(jī)控制直流開關(guān)穩(wěn)壓電源工作方式，利用單片機(jī)完成PWM波的產(chǎn)生，使用AD轉(zhuǎn)換芯片,不斷循環(huán)檢測電源輸出電壓,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值相比較的差,直接控制調(diào)解單片機(jī)輸出PWM波占空比，從而控制電源功率開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的穩(wěn)壓。輸出電壓的調(diào)節(jié)則采用通過改變PWM脈沖寬度的方式實(shí)現(xiàn)。在這種工作方式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的開關(guān)電源與上述的兩種解決方案相比，具有方法簡單、使用器件少及可靠性高等特點(diǎn)。
1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于單片機(jī)控制的程控開關(guān)電源硬件系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由兩大部分組成:(1)控制電路由單片機(jī)軟件編程產(chǎn)生PWM信號(hào)控制功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)單片機(jī)對AD采集的輸出反饋電壓、電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算結(jié)果處理并根據(jù)程序設(shè)置改變PWM信號(hào)輸出狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定輸出電源電壓的目的。(2)主電路由典型單端反激電路高頻變壓器、功率MOS開關(guān)組成，完成DC-DC變換[4]。單片機(jī)對AD采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，分別用來調(diào)整PWM信號(hào)的脈寬和控制液晶顯示。單片機(jī)的供電是從220 V電網(wǎng)經(jīng)小功率變壓器，再進(jìn)行整流濾波、穩(wěn)壓后得到。應(yīng)用AD對輸出電壓進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)對采集信號(hào)進(jìn)行分析和處理。當(dāng)輸出電壓超過額定電壓10%或負(fù)載電流大于額定電流20%時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)關(guān)斷PWM控制信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警提示以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。

1.2單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)的核心，兼顧運(yùn)算能力與控制能力，并考慮設(shè)計(jì)成本等因素,系統(tǒng)選用了性價(jià)比較高的STC89C52單片機(jī)作為核心控制器,其系統(tǒng)電路如圖2所示。STC89C52是一款低功耗、高性能的8 bit微處理器，片內(nèi)含有8 KB Flash程序存儲(chǔ)器和512 B的RAM，最高時(shí)鐘頻率為40 MHz，機(jī)器周期可設(shè)置為6個(gè)。AD轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLC2543,它是一款12 bit AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 ?滋s，具有11路模擬輸入通道，最大誤差為±1LSB。

1.3 AD采樣電路設(shè)計(jì)
AD采樣電路如圖3所示。AD采樣要完成電源輸出電壓、電流兩部分檢測任務(wù)。

(1)輸出電壓檢測
單片機(jī)控制TLC2453轉(zhuǎn)換芯片不斷地檢測電源輸出電壓，根據(jù)采集到的電壓值調(diào)整PWM占空比，形成電源反饋回路，使輸出電壓穩(wěn)定在5 V。當(dāng)輸出電壓大于5.5 V時(shí)，單片機(jī)及時(shí)地做出判斷，關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而關(guān)斷電源輸出。TLC2543的第一通道AN0對Sample-V點(diǎn)進(jìn)行采樣得UV。Uo值可根據(jù)下面公式計(jì)算：
　
式中,UV為電源輸出AD采樣點(diǎn)電壓，R1、R2為采樣分壓電阻。
(2)輸出電流的檢測
單片機(jī)控制TLC2453轉(zhuǎn)換芯片不斷地檢測電源負(fù)載電流,根據(jù)采集到的電流值與設(shè)定值進(jìn)行比較，單片機(jī)可及時(shí)做出判斷。當(dāng)負(fù)載電流大于2.4 A時(shí)，單片機(jī)會(huì)迅速關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電源輸出關(guān)斷，保護(hù)外圍電路。圖3中CS010GT是霍爾效應(yīng)開環(huán)電流傳感器，其原邊額定輸入電流IPN=10 A，其輸出電壓在一定范圍內(nèi)與通過它的電流成正比。TLC2453的第二通道AN1對CS010GT的電壓輸出端Sample-C進(jìn)行采樣,當(dāng)輸出電流大于2.4 A時(shí),單片機(jī)會(huì)迅速地關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電源輸出關(guān)斷，保護(hù)外圍電路。
2 電源軟件程序設(shè)計(jì)
2.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于單片機(jī)控制的程控開關(guān)電源軟件主程序流程框圖[5-6]如圖4所示。程序開始執(zhí)行時(shí)，先對液晶、鍵盤等外部接口進(jìn)行初始化,再對單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行初始化，使單片機(jī)的一個(gè)I/O口輸出頻率為30 kHz的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管，使電源輸出直流電壓。此時(shí)程序進(jìn)入AD采樣循環(huán)，當(dāng)輸出電壓或電流大于保護(hù)值時(shí)，單片機(jī)會(huì)關(guān)斷PWM信號(hào)的輸出。程序?qū)D采集反饋電壓的數(shù)值與鍵盤設(shè)定的數(shù)值實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定的電壓值，則減小PWM脈寬，減小刻度為PWM最小分辨率;如果輸出電壓小于設(shè)定的電壓,值則增大PWM脈寬，增大刻度為PWM最小分辨率。通過AD對輸出電壓的實(shí)時(shí)采集和PWM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈寬調(diào)整,使開關(guān)電源輸出穩(wěn)定的直流電壓。