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(duì)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(duì)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(duì)輸出電壓進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)液晶、鍵盤等外部接口進(jìn)行初始化,再對(duì)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(duì)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。

2.2單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)算法設(shè)計(jì)
    PWM信號(hào)頻率和調(diào)整的分辨率在很大程度上決定開關(guān)電源的工作性能。在兼顧頻率和分辨率的情況下,單片機(jī)輸出PWM信號(hào)的頻率選為30 kHz。為了得到較好的效果,應(yīng)盡可能地提高單片機(jī)的運(yùn)行速度,可將單片機(jī)的晶體振蕩器選擇為38 MHz，機(jī)器周期設(shè)定為6個(gè)時(shí)鐘。使用單片機(jī)的定時(shí)器可以精確地產(chǎn)生PWM信號(hào)，首先給定時(shí)器賦初值設(shè)定高電平時(shí)間,使單片機(jī)的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)管腳在這段時(shí)間內(nèi)為高電平。定時(shí)時(shí)間到達(dá)之后改變定時(shí)器初值，使驅(qū)動(dòng)輸出管腳在下一個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生低電平，兩個(gè)定時(shí)時(shí)間之和為33 μs。改變高電平的時(shí)間便可改變PWM的占空比。采用定時(shí)器模式1。
    定時(shí)器初值計(jì)算公式為：
    
式中, t為定時(shí)時(shí)間，T0為定時(shí)器初值，T為時(shí)鐘周期,技術(shù)長度為216。
3 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及分析
　    本設(shè)計(jì)測試條件為交流輸入電壓220 V，直流輸出5 V/2 A。
3.1電壓調(diào)整率
    (1)當(dāng)電網(wǎng)電壓從220 V升到250 V時(shí)，輸出電壓調(diào)整率為0.4%。
    (2)當(dāng)電網(wǎng)電壓從220 V降到190 V時(shí)，輸出電壓調(diào)整率為0.2%。
3.2電流調(diào)整率
    (1)當(dāng)負(fù)載電流由1 A~2 A時(shí)，電流調(diào)整率為1.0%。
    (2)當(dāng)負(fù)載電流由0.12 A~0.9 A時(shí),電流調(diào)整率為1.0~1.8%。
3.3實(shí)驗(yàn)波形測試及分析
    當(dāng)電源交流輸入電壓為220 V、輸出直流參數(shù)為額定值5 V/2 A時(shí)，直流負(fù)載保持不變,通過外設(shè)鍵盤改變直流輸出電壓，用普源精電公司(RIGOL)數(shù)字存儲(chǔ)示波器DS5102C測量輸出直流電壓分別在5 V/2 A、4 V/1.2 A、1.2 V/0.5 A三種工作狀態(tài)下，功率開關(guān)管漏源之間的波形VDS,如圖5(a)、(b)、(c)所示。當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，隨著輸出電壓的改變,功率MOS開關(guān)管的VDS漏源波形隨占空比的改變而發(fā)生變化，輸出電壓越小，占空比越小。由漏感產(chǎn)生的尖峰電壓隨電源電流大小也發(fā)生變化，負(fù)載電流越大，由漏感引起尖峰電壓就越大；漏感引起的尖峰電壓最大值VDS發(fā)生在額定輸出時(shí)，此時(shí)占空比約為42%。從圖5(a)中可看出要保證電源功率MOS開關(guān)管可靠工作VDS必須滿足大于800 V；從圖5(d)看出，額定輸出時(shí)，示波器實(shí)際測量輸出的紋波峰峰值小于50 mV。

3.4 過壓、過流保護(hù)測試
    當(dāng)輸出電壓大于5.5 V或電流大于2.4 A時(shí),有報(bào)警和顯示提示功能并自動(dòng)關(guān)斷輸出，實(shí)現(xiàn)過壓或過流保護(hù)。當(dāng)去掉過壓或過流后，通過激活按鍵啟動(dòng)，仍可保證電源正常工作。
3.5程控電壓輸出
    當(dāng)電源輸出功率大于0.6 W或大于電源額定輸出(輸出5  V/2 A)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)從1.2 V到5.0 V，每級(jí)0.1 V的輸出電壓調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)范圍可達(dá)額定輸出的76%。
    從測試數(shù)據(jù)可知，在單片機(jī)控制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)此開關(guān)穩(wěn)壓電源具有輸出電源電壓程控調(diào)解功能，其調(diào)節(jié)范圍最大可達(dá)額定輸出的76%，并具有良好的電壓、電流調(diào)整率，可靠的過壓、過流保護(hù)措施。當(dāng)電源過流、過壓現(xiàn)象消除后，按啟動(dòng)鍵電源仍可正常工作。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，基于單片機(jī)控制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的開關(guān)電源相對(duì)于傳統(tǒng)的開關(guān)電源，在設(shè)計(jì)彈性方面有了相當(dāng)?shù)母纳?增加了開關(guān)電源應(yīng)用的適應(yīng)能力(輸出可調(diào)范圍)，顯示了單片機(jī)設(shè)計(jì)的開關(guān)電源良好的應(yīng)用發(fā)展前景。
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