葉克江

YE Ke-jiang

（廣東外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510640）

基于P87LPC767的高性能交流穩(wěn)壓電源設(shè)計

Design of high performance ac voltage-stabilizing power supply based on single-chip P87LPC767

葉克江

YE Ke-jiang

（廣東外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510640）

設(shè)計一種高性能交流穩(wěn)壓電源，基于菲利普（Philips)公司51內(nèi)核帶A/D轉(zhuǎn)換的8位單片機(jī)P87LPC767，利用雙向三端可控硅對多抽頭變壓器的原邊進(jìn)行切換控制，并采用正弦半波逐次逼近插值算法使輸出電壓的有效值達(dá)到很高的穩(wěn)定性，穩(wěn)壓范圍寬，反應(yīng)時間快，成本低，壽命長，無機(jī)械觸點(diǎn)，可靠性高，輸出電壓小范圍連續(xù)可調(diào)，具有完善的保護(hù)措施，易于實(shí)現(xiàn)較大功率輸出。

P87LPC767；模/數(shù)轉(zhuǎn)換；有效值；交流穩(wěn)壓；可控硅

0 引言

能夠提供一個穩(wěn)定的交流電壓和頻率的電源稱為交流穩(wěn)壓電源[1]。目前交流穩(wěn)壓電源按照工作原理大致可以分為參數(shù)調(diào)整型、開關(guān)型和自耦調(diào)整型三大類[2]。參數(shù)調(diào)整型穩(wěn)壓電源的基本原理是LC串聯(lián)諧振，早期出現(xiàn)的磁飽和型穩(wěn)壓器就屬于這一類，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，抗干擾和抗過載能力強(qiáng)，穩(wěn)壓范圍較寬，缺點(diǎn)是能耗大，噪聲大，笨重而且造價也較高。開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出電壓波形有準(zhǔn)方波、梯型波和正弦波等，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓性能好，控制功能強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)智能化，是非常有前途的交流穩(wěn)壓電源，但因其電路復(fù)雜，價格昂貴，所以推廣較慢。自耦調(diào)整型穩(wěn)壓電源又分為機(jī)械調(diào)整型、大功率補(bǔ)償型（也稱凈化型或精密型）和改變抽頭型[3]三種，其中機(jī)械調(diào)整型結(jié)構(gòu)最簡單，造價低廉，輸出波形失真最小，但是由于機(jī)械滑動觸點(diǎn)易產(chǎn)生電火花和磨損，造成損壞以至燒毀而失效，因此壽命較短，而且靠機(jī)械滑動的電壓調(diào)整速度很慢；大功率補(bǔ)償型采用補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好，穩(wěn)壓精度高（≤±1%），響應(yīng)快（40～60ms），電路簡單，工作可靠，價格適中，所以應(yīng)用比較廣泛，缺點(diǎn)是帶非線性負(fù)載時有低頻振蕩現(xiàn)象，輸入側(cè)電流失真度大，源功率因數(shù)較低，輸出電壓對輸入電壓有相移；改變抽頭型采用將自耦變壓器（或雙繞組變壓器的原邊）做成多個固定抽頭，通過普通繼電器或可控硅（固態(tài)繼電器）做為開關(guān)器件工作，自動改變抽頭位置，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，穩(wěn)壓范圍較寬（130V-280V），效率很高（≥95%），反應(yīng)快，價格低，缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度低（±8～10%），采用普通繼電器做開關(guān)器件時的工作壽命短，適用于對穩(wěn)壓精度要求不高的場合。正弦能量分配模式的美國專利技術(shù)[4]，主要應(yīng)用于高端大功率交流穩(wěn)壓電源設(shè)備中。該種電源具有穩(wěn)壓范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快、能量傳輸效率高、能長期連續(xù)工作、有效地抑制電網(wǎng)中各種噪聲和尖峰干擾等優(yōu)點(diǎn)，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的諧波較多，成本高昂，適用于對電源要求特別高的場合。

本文基于菲利普（Philips）公司51內(nèi)核帶A/D轉(zhuǎn)換的8位單片機(jī)P87LPC767，利用雙向三端可控硅對多抽頭變壓器（自藕或雙繞組的原邊）進(jìn)行切換控制，并采用插值算法使輸出電壓的有效值達(dá)到很高的穩(wěn)定性，保持了改變抽頭型的優(yōu)點(diǎn)，克服了穩(wěn)壓精度不高的缺點(diǎn)，使穩(wěn)壓性能得到較大的改善，易于實(shí)現(xiàn)較大功率輸出。

1 單片機(jī)P87LPC767簡介

圖1 電源電路的關(guān)鍵部分示意圖

P87LPC767是20腳封裝的單片機(jī)[5]，適合于許多要求高集成度低成本的場合，可以滿足許多方面的性能要求。作為Philips小型封裝系列中的一員，P87LPC767提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可編程選擇。具有較寬的操作電壓范圍。有內(nèi)部看門狗定時器。P87LPC767采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的兩倍。時鐘頻率可達(dá)20MHz。具有4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器，在振蕩器頻率fosc=20MHz時轉(zhuǎn)換時間最快為9.3μs。用于數(shù)字功能時操作電壓范圍為2.7－6.0V。4K字節(jié)OTP程序存儲器，128字節(jié)的RAM，32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù)。2個16位定時/計數(shù)器，每一個定時器均可設(shè)置為溢出時觸發(fā)相應(yīng)端口輸出。內(nèi)含2個模擬比較器。全雙工通用異步接收/發(fā)送器UART及I2C通信接口，八個鍵盤中斷輸入另加2路外部中斷輸入，4個中斷優(yōu)先級?？撮T狗定時器利用片內(nèi)獨(dú)立振蕩器，無需外接元件，溢出時間有8種選擇，具有獨(dú)立的片內(nèi)振蕩器，因此它可用于外接振蕩器的失效檢測。低電平復(fù)位，使用片內(nèi)上電復(fù)位時不需要外接元件?？膳渲玫钠瑑?nèi)振蕩器及其頻率范圍，選擇片內(nèi)RC振蕩器時不需外接振蕩器件?？删幊蘄/O口輸出模式為準(zhǔn)雙向口，開漏輸出，上拉和只有輸入功能，可選擇施密特觸發(fā)輸入或LED驅(qū)動輸出，所有口線均有20mA的驅(qū)動能力，可控制口線輸出轉(zhuǎn)換速度以降低EMI，輸出最小上升時間約為10ns。 最少15個I/O口，選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時可多達(dá)18個I/O口。如果選擇片內(nèi)振蕩及復(fù)位時，P87LPC767僅需要連接電源線和地線。串行EPROM編程允許對芯片進(jìn)行板上編程，2位EPROM保密位可防止程序被讀出?？臻e和掉電兩種省電模式，提供從掉電模式中喚醒功能，典型的掉電電流僅為1μA。

2 硬件組成與工作原理

電源電路的關(guān)鍵部分主要包括多抽頭雙繞組變壓器、輸入/輸出側(cè)峰值保持與檢測電路、P87LPC767單片機(jī)、LC簡易濾波器、可控硅控制電路和輸入/輸出側(cè)峰值采樣電路等，如圖1所示。

多抽頭變壓器T1采用雙繞組，使220V交流輸入原邊側(cè)L1-N1的全波整流峰值采樣電路與24V交流穩(wěn)壓輸出副邊側(cè)L2-N2的全波整流峰值采樣電路可以共地，實(shí)現(xiàn)正弦半波峰值檢測與切換，反應(yīng)時間快；如果T1采用自藕方式，則輸入側(cè)L1-N1雖然還可以采用全波整流采樣，但是輸出側(cè)L2-N1只能進(jìn)行半波整流采樣，僅能實(shí)現(xiàn)正弦全波切換，反應(yīng)時間比前者慢一倍。T1輸入側(cè)的多抽頭端相鄰電壓間隔6%。改變輸入側(cè)抽頭對應(yīng)電壓標(biāo)稱值，就可以大幅度改變穩(wěn)壓范圍。

變壓器輸入側(cè)采用LC簡易濾波器，結(jié)合軟件數(shù)字濾波，可以達(dá)到很好的抗干擾效果。

峰值采樣電路的結(jié)構(gòu)十分簡單[6]，由4個整流二極管和2個串聯(lián)分壓電阻組成，輸入側(cè)得到電壓采樣信號V1，對應(yīng)最大交流電壓輸入294V時峰值V1max≈4.52V，輸出側(cè)得到電壓采樣信號V3，對應(yīng)交流穩(wěn)壓輸出24V時峰值V3max≈4.34V。

峰值保持與檢測電路采用最簡單的結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)得到峰值保持波形信號V2，輸出側(cè)得到峰值保持波形信號V4，由于A/D轉(zhuǎn)換時間小于50us，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于V1和V3的半波周期10ms，因此可以通過對V2和V4持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)換檢測得到V1和V3的峰值。

P87LPC767單片機(jī)由于內(nèi)部自帶晶體振蕩器穩(wěn)定性很差，必須采用外接6Mhz晶體振蕩器的工作方式（位于端口X1-X2）。端口P12，P13用于連接帶I2C接口的鍵盤顯示控制芯片如ZLG7290等，以便實(shí)現(xiàn)鍵盤控制，設(shè)置有關(guān)參數(shù)，可以在±20%的范圍內(nèi)連續(xù)改變穩(wěn)壓輸出額定值，使該電源成為交流穩(wěn)壓輸出連續(xù)可調(diào)電源，同時顯示當(dāng)前輸入電壓，輸出電壓，運(yùn)行參數(shù)等必要信息。端口P17，P16用于峰值保持與檢測電路的峰值放電，以便準(zhǔn)備下次保持與檢測。峰值保持電壓V2和V4分別輸入到端口AD0和AD1用于A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電壓范圍0V－5V。端口P15用于輸入側(cè)電壓V1的過零監(jiān)測信號輸入，實(shí)現(xiàn)可控硅的過零切換控制，防止渦流損壞器件或變壓器。端口INT用于故障信號輸入監(jiān)測，比如變壓器過熱，輸出端短路等，具有最高優(yōu)先級，以便快速響應(yīng)處理故障。單片機(jī)其余端口用于擴(kuò)展14路控制信號K1－K14，分別與輸入側(cè)對應(yīng)，其中K9對應(yīng)控制220V抽頭位置。

可控硅控制電路共14套，采用光耦可控硅MOC3051控制功率可控硅BT136，MOC3051起到隔離高壓和低壓的作用，正常工作時14個BT136在任一輸入正弦半波期間只有一路導(dǎo)通，除非因故障或過壓、欠壓等全部關(guān)斷。

另外電源電路還包括變壓器過熱保護(hù)電路、輸出端短路保護(hù)電路和輸入端簡易壓敏防雷保護(hù)電路等，具有比較完善的安全措施。為了實(shí)現(xiàn)較大功率輸出，只需更換變壓器和功率可控硅(BT136)，并采取輔助散熱措施，電路結(jié)構(gòu)無需改變。

工作原理的精髓在于正弦半波插值算法，以及由于負(fù)載變化對插值算法的影響。

3 插值算法

3.1 輸出端空載時的插值算法

輸出端L2－N2空載時的輸出電壓完全由輸入電壓決定，因此插值算法只需考慮輸入電壓值即可。圖1中變壓器T1的輸入側(cè)抽頭共15個，其中N1是輸入公共端，連接公共零線，單片機(jī)擴(kuò)展控制端Kj（j=1－14）控制光耦可控硅Mj，Mj控制功率可控硅Bj，Bj的第1腳連接火線L1，Bj的第2腳連接T1的對應(yīng)抽頭，對應(yīng)關(guān)系為：K1-M1-B1-138V，K2-M2-B2-146V，…，K9-M9-B9-220V，…，K14-M14-B14-294V。假設(shè)通過檢測V1的峰值，發(fā)現(xiàn)輸入電壓UI介于208V（由K8控制）和220V（由K9控制）之間，K8-K9稱為一個切換組，即有：208V≤UI≤220V，依此為例可以說明正弦半波插值算法。

設(shè)K8有效時正弦半波V3的峰值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后對應(yīng)值為a，K9有效時正弦半波V3的峰值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后對應(yīng)值為b，標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓輸出24V時正弦半波V3的峰值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后對應(yīng)值為c=256×4.34/5=222（V3max=4.34V，A/D轉(zhuǎn)換器是8位的），則有：

設(shè)定10個半波（時間100ms）即5個正弦周期為1個穩(wěn)壓周期，在1個穩(wěn)壓周期內(nèi)有m個K8有效，n個K9有效，并依據(jù)有效值穩(wěn)定原則，則有：

通過公式(1)-(4)，并考慮(a+c)/(a+b)≈(c+b)/(a+b)≈1，可以得到：m≈10×(c-b)/(a-b) ，n≈10×(a-c)/(a-b) ，分別取整數(shù)值即可。

比如在反應(yīng)時間最慢的情況m=9，n=1時（100ms），令K8保持9個半波有效，K9保持1個半波有效（反之亦然）。說明輸入電壓靠近208V一側(cè)并略大于208V，如果一直保持K8有效，將使輸出電壓有效值略大于24V，因此每9個K8有效之后插入1個K9有效（此時半波輸出電壓有效值降低），將使輸出電壓有效值得到合理補(bǔ)償，更加接近24V，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定。在反應(yīng)時間最快的情況m=5，n=5時（20ms，相當(dāng)于m=1，n=1，1個穩(wěn)壓周期只包含2個半波），控制端有效的順序采用K8-K9-K9-K8-K8-K9-K9-K8-K8-K9結(jié)構(gòu)，既能保持輸出電壓有效值穩(wěn)定，又能使輸出電壓絕對平均值偏移零點(diǎn)最小，而且使由于控制端頻繁切換引入的高次諧波分量幅度最低。

插值算法的控制端切換時機(jī)應(yīng)該盡量均勻、對稱，通過理論誤差分析與實(shí)驗結(jié)果的比較，輸出電壓有效值穩(wěn)壓精度可以達(dá)到±0.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于一般多抽頭穩(wěn)壓方式的穩(wěn)壓精度，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，低成本與高性能的有效融合。改變基準(zhǔn)值c，并相應(yīng)改變可能的對應(yīng)切換區(qū)間，保證a，b滿足公式(1)，(2)的要求，就可以實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓額定值在小范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。采用過零切換技術(shù)，波形失真極小，功率可控硅不受電壓沖擊，任意相鄰可控硅之間壓差小，高次諧波分量可以忽略不計，無機(jī)械觸點(diǎn)，有利于延長器件使用壽命。

3.2 輸出端重載時的逐次逼近插值算法

插值算法的控制端切換組有K1-K2，K2-K3，…，K8-K9，…，K13-K14共13組，空載時起作用的切換組Ki-Ki+1（i=1－13）完全由V1的峰值決定即可。有負(fù)載時V3的有效值勢必下降，而且負(fù)載越重，V3的有效值下降越厲害，此時僅由V1的峰值決定切換組是不夠的，而應(yīng)該由V1和V3的峰值共同決定。V3的峰值同時受到輸入端電壓和輸出端負(fù)載的影響，V1的峰值受到輸出端負(fù)載的影響較小。如果通過實(shí)驗求出“V1－V3－負(fù)載大小”的對應(yīng)關(guān)系，將是一個非常龐大的三維表格，過多占用單片機(jī)程序存儲空間資源，十分繁瑣且使用不便。實(shí)際上，只需根據(jù)當(dāng)前a，b，c 的值尤其是c的值偏離標(biāo)稱值222的程度，即可基本確定目標(biāo)切換組，如果選定的目標(biāo)切換組恰好合理，則應(yīng)用前述插值算法即可，如果還有小偏差，則只需再判斷一次，就可以準(zhǔn)確選定目標(biāo)切換組，最終使輸出電壓有效值保持穩(wěn)定。這是一種逐次逼近與插值算法相結(jié)合的算法，簡稱逐次逼近插值算法。大部分情況下，逐次逼近只需一次判斷，不構(gòu)成額外延時，需要兩次時構(gòu)成延時10ms。

一般地，選取6個半波（時間60ms）為1個穩(wěn)壓周期，延時最長70ms，輸出端負(fù)載在輸出功率額定值的0%－120%范圍內(nèi)突變時，輸出電壓有效值穩(wěn)壓精度仍可以達(dá)到±0.5%，可見對負(fù)載變化的反應(yīng)是很快的。

根據(jù)V1的峰值，容易判斷當(dāng)輸入電壓大于312V=294×(1+6%)時為過壓，可控硅全部關(guān)斷；小于130V=138×(1-6%)時為欠壓，可控硅全部關(guān)斷。如果K1有效時V3的峰值小于標(biāo)準(zhǔn)值的1%，說明負(fù)載過重，可控硅全部關(guān)斷。

4 結(jié)束語

該電源電路結(jié)構(gòu)簡單，算法新穎，采用正弦半波逐次逼近插值算法使輸出電壓的有效值達(dá)到很高的穩(wěn)定性，繼承了多抽頭變壓器穩(wěn)壓方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了穩(wěn)壓精度低（±8～10%）的缺點(diǎn)，穩(wěn)壓范圍寬，對負(fù)載突變反應(yīng)時間快，輸出電壓小范圍連續(xù)可調(diào)，成本低，壽命長，保護(hù)措施完善，易于實(shí)現(xiàn)較大功率輸出。

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TP301.6;TM131.4

A

1009-0134(2010)12(上)-0155-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).50

2010-09-09

葉克江（1966 -），男，河南息縣人，副教授，博士，主要從事計算機(jī)應(yīng)用以及自動控制方面的研究。