蘆守平，姜瀚文，徐 千

（哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

近年來，人們不斷地應(yīng)用單片機在開關(guān)電源控制方面尋求一種設(shè)計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由單片機輸出一個電壓(經(jīng)DA芯片或PWM方式)用作電源的基準(zhǔn)電壓，同時還必須有功率開關(guān)的驅(qū)動電路芯片（PWM產(chǎn)生電路）。這種方式僅僅是用單片機代替了原來的基準(zhǔn)電壓，用按鍵輸入電源的電壓值來改變輸出電壓，單片機并沒有加入電源的反饋環(huán)[2]。(2)利用單片機擴展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)斷時間，達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。采用單片機技術(shù)進行輸出電壓調(diào)整，在方案過程中，實現(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]，使得實現(xiàn)技術(shù)過于復(fù)雜。

為此，本文提出一種新的單片機控制直流開關(guān)穩(wěn)壓電源工作方式，利用單片機完成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)斷時間，最終實現(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脈沖寬度的方式實現(xiàn)。在這種工作方式基礎(chǔ)上設(shè)計的開關(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。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于單片機控制的程控開關(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)控制電路由單片機軟件編程產(chǎn)生PWM信號控制功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，同時單片機對AD采集的輸出反饋電壓、電流信號進行運算結(jié)果處理并根據(jù)程序設(shè)置改變PWM信號輸出狀態(tài)，達到穩(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DCDC變換[4]。單片機對AD采集的信號進行運算，分別用來調(diào)整PWM信號的脈寬和控制液晶顯示。單片機的供電是從220 V電網(wǎng)經(jīng)小功率變壓器，再進行整流濾波、穩(wěn)壓后得到。應(yīng)用AD對輸出電壓進行采集，并通過單片機對采集信號進行分析和處理。當(dāng)輸出電壓超過額定電壓10%或負載電流大于額定電流20%時，單片機自動關(guān)斷PWM控制信號，同時產(chǎn)生報警提示以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。

圖1 程控開關(guān)電源硬件系統(tǒng)方框圖

1.2 單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

單片機系統(tǒng)電路設(shè)計是電源設(shè)計的核心，兼顧運算能力與控制能力，并考慮設(shè)計成本等因素,系統(tǒng)選用了性價比較高的STC89C52單片機作為核心控制器,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程序存儲器和512 B的 RAM，最高時鐘頻率為 40 MHz，機器周期可設(shè)置為6個。AD轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLC2543,它是一款12 bit AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為 10 μs，具有11路模擬輸入通道，最大誤差為±1LSB。

圖2 單片機系統(tǒng)框圖

1.3 AD采樣電路設(shè)計

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

圖3 AD采樣電路

單片機控制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，單片機及時地做出判斷，關(guān)斷PWM驅(qū)動信號,從而關(guān)斷電源輸出。TLC2543的第一通道AN0對Sample-V點進行采樣得UV。Uo值可根據(jù)下面公式計算：

式中,UV為電源輸出AD采樣點電壓，R1、R2為采樣分壓電阻。

(2)輸出電流的檢測

單片機控制TLC2453轉(zhuǎn)換芯片不斷地檢測電源負載電流,根據(jù)采集到的電流值與設(shè)定值進行比較，單片機可及時做出判斷。當(dāng)負載電流大于2.4 A時，單片機會迅速關(guān)斷PWM驅(qū)動信號，使電源輸出關(guān)斷，保護外圍電路。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CS010GT的電壓輸出端Sample-C進行采樣,當(dāng)輸出電流大于2.4 A時,單片機會迅速地關(guān)斷PWM驅(qū)動信號，使電源輸出關(guān)斷，保護外圍電路。

2 電源軟件程序設(shè)計

2.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機控制的程控開關(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，先對液晶、鍵盤等外部接口進行初始化,再對單片機定時器進行初始化，使單片機的一個I/O口輸出頻率為30 kHz的PWM信號，驅(qū)動MOS開關(guān)管，使電源輸出直流電壓。此時程序進入AD采樣循環(huán)，當(dāng)輸出電壓或電流大于保護值時，單片機會關(guān)斷PWM信號的輸出。程序?qū)D采集反饋電壓的數(shù)值與鍵盤設(shè)定的數(shù)值實時進行比較，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對輸出電壓的實時采集和PWM信號的實時脈寬調(diào)整,使開關(guān)電源輸出穩(wěn)定的直流電壓。

圖4 主程序流程框圖

2.2 單片機產(chǎn)生PWM信號算法設(shè)計

PWM信號頻率和調(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,單片機輸出PWM信號的頻率選為30 kHz。為了得到較好的效果,應(yīng)盡可能地提高單片機的運行速度,可將單片機的晶體振蕩器選擇為38 MHz，機器周期設(shè)定為6個時鐘。使用單片機的定時器可以精確地產(chǎn)生PWM信號，首先給定時器賦初值設(shè)定高電平時間,使單片機的PWM信號的驅(qū)動管腳在這段時間內(nèi)為高電平。定時時間到達之后改變定時器初值，使驅(qū)動輸出管腳在下一個時刻產(chǎn)生低電平，兩個定時時間之和為 33 μs。改變高電平的時間便可改變PWM的占空比。采用定時器模式1。

定時器初值計算公式為：

式中,t為定時時間，T0為定時器初值，T為時鐘周期,技術(shù)長度為 216。

3 實驗測試數(shù)據(jù)及分析

本設(shè)計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，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，輸出電壓調(diào)整率為0.2%。

3.2 電流調(diào)整率

(1)當(dāng)負載電流由1 A～2 A時，電流調(diào)整率為1.0%。

(2)當(dāng)負載電流由0.12 A～0.9 A時,電流調(diào)整率為1.0～1.8%。

3.3 實驗波形測試及分析

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，直流負載保持不變,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)負載不變時，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，此時占空比約為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，示波器實際測量輸出的紋波峰峰值小于50 mV。

圖5 不同輸出時VDS波形及額定輸出5 V/2 A時，紋波峰峰值波形

3.4 過壓、過流保護測試

當(dāng)輸出電壓大于5.5 V或電流大于2.4 A時,有報警和顯示提示功能并自動關(guān)斷輸出，實現(xiàn)過壓或過流保護。當(dāng)去掉過壓或過流后，通過激活按鍵啟動，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，可實現(xiàn)從 1.2 V到 5.0 V，每級 0.1 V的輸出電壓調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)范圍可達額定輸出的76%。

從測試數(shù)據(jù)可知，在單片機控制基礎(chǔ)上設(shè)計此開關(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、過流保護措施。當(dāng)電源過流、過壓現(xiàn)象消除后，按啟動鍵電源仍可正常工作。通過實驗測試表明，基于單片機控制基礎(chǔ)設(shè)計的開關(guān)電源相對于傳統(tǒng)的開關(guān)電源，在設(shè)計彈性方面有了相當(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)，顯示了單片機設(shè)計的開關(guān)電源良好的應(yīng)用發(fā)展前景。

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