基于单片机控制的程控开关电源研究

    近年来，人们不断地应用单片机在开关电源控制方面寻求一种设计较为合理的解决方案。较为常见的解决方案有两种。(1)模数混合基本形式。①单片机只是承担智能检测与智能控制任务，电源的控制仍是一般开关电源的控制模式[1];②由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，同时还必须有功率开关的驱动电路芯片（PWM产生电路）。这种方式仅仅是用单片机代替了原来的基准电压，用按键输入电源的电压值来改变输出电压，单片机并没有加入电源的反馈环[2]。(2)利用单片机扩展AD，不断检测电源的输出电压和电流，根据电源输出电压与设定值之差控制逆变器，改变功率场效应管的导通与关断时间，达到输出电压稳定的目的。采用单片机技术进行输出电压调整，在方案过程中，实现使用了PFM方向PWM两种波形控制技术的软件编程方法[3]，使得实现技术过于复杂。
    为此，本文提出一种新的单片机控制直流开关稳压电源工作方式，利用单片机完成PWM波的产生，使用AD转换芯片,不断循环检测电源输出电压,根据电源输出电压与设定值相比较的差,直接控制调解单片机输出PWM波占空比，从而控制电源功率开关的导通关断时间，最终实现电源输出电压的稳压。输出电压的调节则采用通过改变PWM脉冲宽度的方式实现。在这种工作方式基础上设计的开关电源与上述的两种解决方案相比，具有方法简单、使用器件少及可靠性高等特点。
1电源系统设计
1.1电源硬件结构设计
    基于单片机控制的程控开关电源硬件系统如图1所示。该系统由两大部分组成:(1)控制电路由单片机软件编程产生PWM信号控制功率开关管导通和关断，同时单片机对AD采集的输出反馈电压、电流信号进行运算结果处理并根据程序设置改变PWM信号输出状态，达到稳定输出电源电压的目的。(2)主电路由典型单端反激电路高频变压器、功率MOS开关组成，完成DC-DC变换[4]。单片机对AD采集的信号进行运算，分别用来调整PWM信号的脉宽和控制液晶显示。单片机的供电是从220  V电网经小功率变压器，再进行整流滤波、稳压后得到。应用AD对输出电压进行采集，并通过单片机对采集信号进行分析和处理。当输出电压超过额定电压10%或负载电流大于额定电流20%时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警提示以避免损坏用电设备或开关电源。

1.2单片机系统电路设计
    单片机系统电路设计是电源设计的核心，兼顾运算能力与控制能力，并考虑设计成本等因素,系统选用了性价比较高的STC89C52单片机作为核心控制器,其系统电路如图2所示。STC89C52是一款低功耗、高性能的8 bit微处理器，片内含有8 KB Flash程序存储器和512 B的RAM，最高时钟频率为40 MHz，机器周期可设置为6个。AD转换芯片采用的是TLC2543,它是一款12 bit AD转换器，转换时间为10 ?滋s，具有11路模拟输入通道，最大误差为±1LSB。

1.3 AD采样电路设计
    AD采样电路如图3所示。AD采样要完成电源输出电压、电流两部分检测任务。

    (1)输出电压检测
    单片机控制TLC2453转换芯片不断地检测电源输出电压，根据采集到的电压值调整PWM占空比，形成电源反馈回路，使输出电压稳定在5 V。当输出电压大于5.5 V时，单片机及时地做出判断，关断PWM驱动信号,从而关断电源输出。TLC2543的第一通道AN0对Sample-V点进行采样得UV。Uo值可根据下面公式计算：
　
式中,UV为电源输出AD采样点电压，R1、R2为采样分压电阻。
    (2)输出电流的检测
    单片机控制TLC2453转换芯片不断地检测电源负载电流,根据采集到的电流值与设定值进行比较，单片机可及时做出判断。当负载电流大于2.4 A时，单片机会迅速关断PWM驱动信号，使电源输出关断，保护外围电路。图3中CS010GT是霍尔效应开环电流传感器，其原边额定输入电流IPN=10 A，其输出电压在一定范围内与通过它的电流成正比。TLC2453的第二通道AN1对CS010GT的电压输出端Sample-C进行采样,当输出电流大于2.4 A时,单片机会迅速地关断PWM驱动信号，使电源输出关断，保护外围电路。
2 电源软件程序设计
2.1软件系统设计
    基于单片机控制的程控开关电源软件主程序流程框图[5-6]如图4所示。程序开始执行时，先对液晶、键盘等外部接口进行初始化,再对单片机定时器进行初始化，使单片机的一个I/O口输出频率为30 kHz的PWM信号，驱动MOS开关管，使电源输出直流电压。此时程序进入AD采样循环，当输出电压或电流大于保护值时，单片机会关断PWM信号的输出。程序对AD采集反馈电压的数值与键盘设定的数值实时进行比较，如果大于设定的电压值，则减小PWM脉宽，减小刻度为PWM最小分辨率;如果输出电压小于设定的电压,值则增大PWM脉宽，增大刻度为PWM最小分辨率。通过AD对输出电压的实时采集和PWM信号的实时脉宽调整,使开关电源输出稳定的直流电压。[page]

2.2单片机产生PWM信号算法设计
    PWM信号频率和调整的分辨率在很大程度上决定开关电源的工作性能。在兼顾频率和分辨率的情况下,单片机输出PWM信号的频率选为30 kHz。为了得到较好的效果,应尽可能地提高单片机的运行速度,可将单片机的晶体振荡器选择为38 MHz，机器周期设定为6个时钟。使用单片机的定时器可以精确地产生PWM信号，首先给定时器赋初值设定高电平时间,使单片机的PWM信号的驱动管脚在这段时间内为高电平。定时时间到达之后改变定时器初值，使驱动输出管脚在下一个时刻产生低电平，两个定时时间之和为33 μs。改变高电平的时间便可改变PWM的占空比。采用定时器模式1。
    定时器初值计算公式为：
    
式中, t为定时时间，T0为定时器初值，T为时钟周期,技术长度为216。
3 实验测试数据及分析
　    本设计测试条件为交流输入电压220 V，直流输出5 V/2 A。
3.1电压调整率
    (1)当电网电压从220 V升到250 V时，输出电压调整率为0.4%。
    (2)当电网电压从220 V降到190 V时，输出电压调整率为0.2%。
3.2电流调整率
    (1)当负载电流由1 A~2 A时，电流调整率为1.0%。
    (2)当负载电流由0.12 A~0.9 A时,电流调整率为1.0~1.8%。
3.3实验波形测试及分析
    当电源交流输入电压为220 V、输出直流参数为额定值5 V/2 A时，直流负载保持不变,通过外设键盘改变直流输出电压，用普源精电公司(RIGOL)数字存储示波器DS5102C测量输出直流电压分别在5 V/2 A、4 V/1.2 A、1.2 V/0.5 A三种工作状态下，功率开关管漏源之间的波形VDS,如图5(a)、(b)、(c)所示。当负载不变时，随着输出电压的改变,功率MOS开关管的VDS漏源波形随占空比的改变而发生变化，输出电压越小，占空比越小。由漏感产生的尖峰电压随电源电流大小也发生变化，负载电流越大，由漏感引起尖峰电压就越大；漏感引起的尖峰电压最大值VDS发生在额定输出时，此时占空比约为42%。从图5(a)中可看出要保证电源功率MOS开关管可靠工作VDS必须满足大于800 V；从图5(d)看出，额定输出时，示波器实际测量输出的纹波峰峰值小于50 mV。

3.4 过压、过流保护测试
    当输出电压大于5.5 V或电流大于2.4 A时,有报警和显示提示功能并自动关断输出，实现过压或过流保护。当去掉过压或过流后，通过激活按键启动，仍可保证电源正常工作。
3.5程控电压输出
    当电源输出功率大于0.6 W或大于电源额定输出(输出5  V/2 A)时，可实现从1.2 V到5.0 V，每级0.1 V的输出电压调节，最大调节范围可达额定输出的76%。
    从测试数据可知，在单片机控制基础上设计此开关稳压电源具有输出电源电压程控调解功能，其调节范围最大可达额定输出的76%，并具有良好的电压、电流调整率，可靠的过压、过流保护措施。当电源过流、过压现象消除后，按启动键电源仍可正常工作。通过实验测试表明，基于单片机控制基础设计的开关电源相对于传统的开关电源，在设计弹性方面有了相当的改善,增加了开关电源应用的适应能力(输出可调范围)，显示了单片机设计的开关电源良好的应用发展前景。
参考文献
[1] 郑贵林.一种智能化电源的设计[J].电子技术应用,2004，10：38-40.
[2] 李祖明. 基于单片机控制的开关电源及其设计[J].科技信息, 2007，17:81-82.
[3] 陈念军.基于单片机控制的输出连续可调开关电源的设计[J].电气应用, 2006，25(4)：116-118.
[4] 张占松.开关电源的原理设计.北京：电子工业出版社, 2005，3:242-245.
[5] 温水平.基于单片机控制的软开关逆变焊接电源平台的研制[J].电焊机, 2006，36(9)：54-57.
[6] 高原. 智能型充电稳压电源的设计[J].电气传动及自动化,2007(3)：59-61.