薛秀云，陳華寧，翟頌彬，張丞

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源[1]。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、穩(wěn)壓性能好、保護(hù)措施完善等優(yōu)點(diǎn)[2]，由于控制信號(hào)一般通過精密穩(wěn)壓器TL4331、光耦等獲得，使輸出電壓很難做到寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，特別是不能輸出低電壓（＜3 V）[3－5]。將ATMEGA16單片機(jī)應(yīng)用于電源的控制，可以提高開關(guān)電源的輸出電壓控制精度，同時(shí)利用ATMEGA16的計(jì)算功能，通過軟件編程，采用反饋控制使得電壓輸出趨于恒定[6]。

1 電源硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。市電經(jīng)整流濾波電路輸出直流，采用EMI共模濾波器抑制市電中的干擾；+5 V單片機(jī)供電電源由MC34063構(gòu)成；系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)反饋電路送到單片機(jī)ATMEGA16的A/D口，單片機(jī)根據(jù)輸出電壓的變化，對(duì)DC－DC進(jìn)行PWM控制，使輸出電壓趨于穩(wěn)定；同時(shí)，系統(tǒng)的顯示及鍵盤控制也由單片機(jī)ATMEGA16實(shí)現(xiàn)。

1.2 整流濾波電路

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1Frame of system composing

整流、濾波電路主要是由整流變壓器（30 W，18 V）、EMI濾波器、RS207整流橋（2 A）和濾波電容2 000 μF組成。EMI濾波器主要作用是濾除開關(guān)噪聲和由輸入線引入的諧波。濾波器中磁心上的繞組采用同向繞制，因流經(jīng)繞組的交流電流是反相的，所以兩股相反方向的電流在磁心內(nèi)產(chǎn)生的交流磁通量相互抵消，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。

1.3 單片機(jī)供電電源

為提高電源的效率，利用芯片MC34063A外接簡單元件構(gòu)成降壓電路，輸出5 V電壓為單片機(jī)ATMEGA16提供電源，電路如圖2所示。

其中R1為限流電阻、C1為定時(shí)電容、C2為輸出濾波電容、R2和R3為設(shè)定輸出電壓大小的電阻，計(jì)算公式如式（1）所示。Rst為限流電阻，當(dāng)限流電阻的電壓達(dá)到330 mV時(shí)，電流限制電路開始工作。計(jì)算公式如式（2）所示，其中IMax_out為最大輸出電流。

圖2 單片機(jī)供電電源電路Fig.2Power supply circuit of the single chip microcomputer

由以上兩式可知，當(dāng)輸出電壓5 V時(shí)，Rst、R2和R3的取值分別為0.5 Ω、1.2 kΩ、3.6 kΩ。

1.4 鍵盤及顯示電路

輸入及顯示電路采用4個(gè)按鍵，利用功能切換完成對(duì)輸出電壓的設(shè)定及顯示切換。顯示部分采用共陽極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，如圖3所示。單片機(jī)ATMEGA 16采用內(nèi)部8 MHz晶振。

圖3 鍵盤及顯示電路Fig.3Circuit of the keyboard and display

1.5 DC-DC電路

DC－DC電路如圖4所示。該模塊為SR－Buck變換器，開關(guān)管采用MOSFET管IRF540。IRF540的最大漏極電流ID為33 A，導(dǎo)通電阻RDS（on）為44 mΩ，漏源擊穿電壓VDSS為100 V。MOSFET是電壓控制電流源，為了驅(qū)動(dòng)MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，需要在柵源極間加上足夠的電壓，以使漏極能流過預(yù)期的最大電流，因此采用三極管對(duì)IRF540進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主開關(guān)管Q6用NPN三極管Q5驅(qū)動(dòng)，同步整流管Q9用PNP三極管Q10進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

濾波電路采用LC串聯(lián)電路，由1個(gè)220 μH的電感和2個(gè)并聯(lián)的470 μF的ESR電容組成，0.1 μF的陶瓷電容用于吸收輸出端的高頻分量。

圖4 DC－DC開關(guān)電路Fig.4Circuit of DC－DC switch

1.6 輸出電壓采樣電路

將50 kΩ電位器（電壓采樣電阻）的兩端并在電源輸出端（Vo端與地端），中間引腳接到單片機(jī)的ADC0腳。實(shí)現(xiàn)A/D對(duì)輸出電壓的采樣，電路如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路Fig.5Circuit of voltage sampling

2 反饋程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過采集輸出電壓值，與設(shè)定輸出電壓值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小和極性控制圖4中PWM端信號(hào)的占空比，進(jìn)而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)負(fù)反饋[7]。為了避免由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，軟件中應(yīng)用了帶死區(qū)的PID控制算法。

程序流程圖如圖6所示。通過A/D檢測得到實(shí)際輸出電壓c（k），將設(shè)定電壓r（k）與實(shí)測電壓c（k）比較，得本次偏差值e（k）。當(dāng)|e（k）|≤ε（ε為死區(qū)偏差）時(shí)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)e（k）不在死區(qū)范圍時(shí)即進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：ΔP（k）為輸出調(diào)整量，e（k）為本次偏差，e（k－1）為上次偏差，e（k－2）為上兩次偏差，P、I、D分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定P、I、D分別取27、3、1。

3 電源功能測試結(jié)果

在設(shè)定輸出電壓分別為3 V、5 V和9 V時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定電源的性能指標(biāo)參數(shù)如下：

1）輸出電壓0～9.9 V可調(diào)，步進(jìn)為0.1 V，輸出電流可達(dá)1.5 A；

2）電壓控制精度范圍為3%～0.71%；

3）當(dāng)輸出電壓9 V、輸出電流1.5 A時(shí)，電源的效率為78.78%。

4）當(dāng)輸出電壓從3 V到9 V變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為2.7%～1.1%；

5）滿載時(shí)，電壓調(diào)整率小于0.67%；

6）紋波電壓占輸出電壓的百分比0.73%～0.62%。

圖6 帶死區(qū)的PID控制程序流程圖Fig.6Control programme flow chart with died zone

4 結(jié)論

由以上測試結(jié)果可知，電源輸出電壓由0～9.9 V步進(jìn)可調(diào)，具有較高的精度和效率。若減小死區(qū)偏差ε的值，可以進(jìn)一步提高電源的恒壓特性及控制精度；當(dāng)輸出功率低時(shí)，因電源單片機(jī)控制及LED顯示模塊會(huì)消耗一定的功率，導(dǎo)致電源的效率降低，若采用液晶顯示及PCB板布線，可望進(jìn)一步提高電源效率和降低紋波干擾。

[1]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3]王衛(wèi)星.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]梁建華.基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源[J].電工技術(shù)，2004（12）：54－56.LIANG Jian-hua.Numerical control switch power supply based on single chip AT89C51[J].Electric Engineering，2004（12）：54－56.

[5]劉楚湘，杜勇，尤雙楓.基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26（1）：50－52.LIU Chu-xiang，DU Yong，YOU Shuan-feng.The design of a digital control DC regulated power supply based on single chip[J].Journal of Xinjiang Normal University:Natural Sciences Edition，2007，26（1）：50－52.

[6]賀洪江，李憲虹，閻舒靜.一種高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，17（3）：36－39.HE Hong-jiang，LI Xian-hong，YAN Shu-jing.The design of a high-Precision DC stabilized voltage source digital controlled[J].Journal ofHebei Institute of Architectural Science and Technology，2000，17（3）：36－39.

[7]劉慧媛，楊俊華，陳少華，等.矩陣變換器空間矢量調(diào)制的閉環(huán)控制研究[J].陜西電力，2010，38（1）：11－16.LIUHui-yuan，YANGJun-hua，CHENShao-hua，etal.Research of close-loop control strategy for matrix converter based on space vector modulation[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（1）：11－16.