一種基于單片機的數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計應(yīng)用

　　1、引言

　　現(xiàn)實的生活和實驗中，常常要用到各種各樣的電源，電壓要求多樣。如何設(shè)計一個電壓穩(wěn)定，輸出電壓精度高，并且調(diào)節(jié)范圍大的電壓源，成了電子技術(shù)應(yīng)用的熱點。在市面上，各種電源產(chǎn)品各式各樣，有可調(diào)節(jié)的和固定的。但是普遍存在一些問題，如轉(zhuǎn)換效率低，功耗大，輸出精度不高，可調(diào)節(jié)范圍過小，不能滿足特定電壓的要求，輸出不夠穩(wěn)定，紋波電流過大，并且普遍采用可調(diào)電阻器調(diào)節(jié)，操作難度大，易磨損老化。

　　針對以上問題，本文采用基于KA3525 PWM控制芯片的不對稱半橋式功率變換器，并采用16位凌陽單片機作為數(shù)控核心，通過其內(nèi)置的D/A輸出調(diào)制PWM，提高了電源的輸出精度和效率，并且方便使用者操作，實現(xiàn)了基于單片機的數(shù)控開關(guān)電源。

　　2、基于單片機的數(shù)控開關(guān)電源系統(tǒng)組成

　　本數(shù)控開關(guān)電源，采用凌陽單片機實現(xiàn)對基于PWM控制的不對稱半橋式功率變換器的數(shù)字控制，實現(xiàn)直流輸出電壓0V～40V設(shè)定和步進(jìn)值為1連續(xù)調(diào)整，最大輸出電流為2A。同時實現(xiàn)了對輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括： PWM控制的開關(guān)電源模擬電路部分和凌陽單片機組成的數(shù)控部分。

圖1 基于單片機的數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計系統(tǒng)框圖

　　3、基于PWM控制的開關(guān)電源設(shè)計

　　PWM控制的開關(guān)電源電路原理如圖2所示。主要包括EMI濾波電路、整流濾波電路、功率變換電路、驅(qū)動電路、輸出電路、穩(wěn)壓電路、過流保護(hù)電路以及輔助電源電路等。

圖2 PWM控制的開關(guān)電源原理圖

　　3.1 EMI濾波電路

　　EMI濾波器如圖3所示電路。該濾波器有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端。電路包括快速保險絲F1，泄放電阻R1，共模電感L1、L2，濾波電容C1、C2、C8、C9。泄放電阻R1可將C1上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進(jìn)線端不帶電,保證使用的安全性。共模電感L1-1、L1-2對差模干擾不起作用，對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗。C1、C9主要用來抑制差模干擾。C2、C8跨接在輸出端，經(jīng)過分壓后接地，能有效的抑制共模干擾。

圖3 EMI濾波電路

　　3.2整流濾波電路

　　常用整流電路有半波、全波、橋式、倍壓整流等形式。本文采用橋式整流電路，電路如圖4所示。圖中 C3、C10兩個電容分別用于濾除整流后的高低頻成分。

圖4 整流濾波電路

　　3.3 功率變換電路

　　功率變換電路采用不對稱半橋功率變換器，如圖5所示。圖5（a）所示電路開關(guān)管M1導(dǎo)通、M2截止，電容C4放電。圖5（b）所示電路開關(guān)管M2導(dǎo)通、M1截止時，電容C4充電。圖中R1、R2、R6、R7在開關(guān)管關(guān)斷時為泄放電阻，用來泄放開關(guān)管結(jié)電容電壓。C4為儲能電容，電容容量不能低于2μF，否則會降低系統(tǒng)帶載能力。

(a)

(b)

圖5 不對稱半橋功率變換器電流流向圖

　　3.4驅(qū)動電路

　　PWM信號產(chǎn)生芯片采用KA3525，它是一個典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制芯片。其內(nèi)部包括誤差放大器、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。KA3525的1和2腳是內(nèi)部運算放大器的輸入端，系統(tǒng)中單片機的D/A轉(zhuǎn)換接口的一個引腳與KA3525的2腳連接，實現(xiàn)KA3525的數(shù)字控制與步進(jìn)調(diào)整。11和14腳輸出交替的兩路控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路與功率開關(guān)管的門極相連接。本文采用的驅(qū)動電路如圖6所示。當(dāng)11腳輸出高電平、14腳輸出低電平時，N1、P2導(dǎo)通，耦合變壓器原邊電流流向如圖6（a）所示。當(dāng)14腳輸出高電平、11腳輸出低電平時，N2、P1導(dǎo)通，耦合變壓器原邊電流流向如圖6（b）所示。圖7為驅(qū)動電路耦合變壓器的輸出波形。