【摘要】開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備中。本文利用STC89C52單片機和TL494脈寬調(diào)制芯片設(shè)計了開關(guān)電源，大大地簡化了電源電路的結(jié)構(gòu)，具有可維護性強、實時控制和調(diào)整電壓、可以進行人機交互、可擴展性強、成本低等特點。

【關(guān)鍵詞】STC89C52;TL494;脈寬調(diào)制;人機交互

1.引言

目前電子設(shè)備的日益小型化更需要供電電源的小型化，制作小型化電源是未來電源制作發(fā)展的一個趨勢，傳統(tǒng)的開關(guān)電源線路一般都是很復(fù)雜而且體積也比較大[1]，本設(shè)計以STC89C52單片機作為主要控制器，由整流濾波模塊、開關(guān)電源主回路模塊、單片機模塊、鍵盤模塊、數(shù)碼管顯示模塊以及反饋模塊構(gòu)成。通過改變單片機輸出的控制信號來調(diào)節(jié)TL494輸出的PWM波的占空比來控制功率管的通斷，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)壓效果好、效率高、輸出電壓可調(diào)、響應(yīng)速率快的特點。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，工頻的交流電經(jīng)過變壓器降壓后變成18V，再經(jīng)過整流濾波電路將輸出電壓分成了兩路，其中的一路電壓通過穩(wěn)壓與濾波電路輸出+5V和+12V的電壓作為輔助電源，而另一路電壓則作為開關(guān)變換部分的輸入電壓。單片機根據(jù)鍵盤的輸入值和采樣電壓值之間的差值，來修改單片機的控制信號端，輸出PWM脈沖的控制信號的電平，通過TL494控制PWM脈沖，以控制功率管的通與斷，以便能夠得到期望的輸出電壓值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源電路設(shè)計

開關(guān)變換電路為開關(guān)電源的核心部位，它能將一種等級的直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種等級的直流電壓[2]。開關(guān)變換電路原理圖如圖2所示。功率開關(guān)管采用IRF3205，當(dāng)控制脈沖是低電平時，功率開關(guān)管為導(dǎo)通狀態(tài)，此時電流流過電感，電感將會存儲能量，功率開關(guān)管把電路的輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖，當(dāng)控制脈沖是高電平時，功率開關(guān)管為截止?fàn)顟B(tài)，電感把所存儲的能量釋放出來給負(fù)載[3]。為了確保電感中的電流能在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中保持連續(xù)，特選用肖特基二極管FR107作為續(xù)流二極管使用，這種二極管的導(dǎo)通截止恢復(fù)時間較快，在開關(guān)導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，能夠很快的由截止轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通，所以能夠確保電感的電流連續(xù)[4]。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用的是低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖

2.2 控制電路設(shè)計

PWM控制器是控制電路的核心部分，開關(guān)變換電路以TL494為核心器件，通過外圍其它電路的共同作用，將輸入18V直流電壓變換為穩(wěn)定的輸出電壓，輸出電壓范圍0-15V?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)單片機控制電路的反饋信號實現(xiàn)不同的輸出電壓。PWM控制器電路圖如圖3所示[5]。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示。圖中R13和R15通過分壓為ADC0804提供2.5V的參考電壓，6端為模擬電壓輸入端，連接在開關(guān)變換電路中電阻R2與R6之間。更換不同的R、C值，會有不同的轉(zhuǎn)換頻率，而且頻率愈高代表速度愈快。但是需要注意R、C的組合，務(wù)必使頻率范圍是在100kHz～1460kHz之間。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的思路為：系統(tǒng)掃描鍵盤的輸入，當(dāng)鍵盤有輸入時，系統(tǒng)會立刻做出響應(yīng)，根據(jù)采樣電壓值與鍵盤輸入的調(diào)節(jié)電壓值來更新脈寬，輸出用戶期望的電壓值，隨后系統(tǒng)仍繼續(xù)掃描鍵盤，當(dāng)鍵盤無輸入時，系統(tǒng)調(diào)用調(diào)節(jié)函數(shù)，控制輸出穩(wěn)定的電壓。當(dāng)系統(tǒng)掃描鍵盤時，若有鍵盤輸入，系統(tǒng)會響應(yīng)鍵盤的輸入，更新脈寬。

3.1 各模塊分類

軟件按照結(jié)構(gòu)劃分，本系統(tǒng)的控制軟件由參數(shù)定義、中斷函數(shù)、顯示函數(shù)和主函數(shù)構(gòu)成。按照功能劃分，軟件包括按鍵數(shù)碼管掃描模塊、方波輸出模塊、AD讀取模塊和主控制模塊，模塊間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 各模塊間的關(guān)系

3.2 各個功能之間的切換

方波輸出模塊設(shè)計：調(diào)用單片機內(nèi)部的定時器0和定時器1，通過改變定時器的定時時間來決定輸出PWM波的周期和占空比的大小。

AD讀取模塊設(shè)計：通過單片機的P1口于DAC0804的數(shù)據(jù)輸出口相連接，再通過單片機控制ADC0804的讀信號和寫信號端，以此來控制電壓值的讀取。

數(shù)碼管、鍵盤掃描顯示模塊設(shè)計：通過if判斷語句等來執(zhí)行相關(guān)的程序功能。

主控制模塊設(shè)計：主控制模塊分為按鍵控制電壓和反饋電壓處理兩方面。主要通過按鍵和判斷語句完成本主控制模塊功能。

3.3 主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4.結(jié)論

本設(shè)計采用了STC89C52單片機和TL494脈寬調(diào)制芯片，結(jié)合DC-DC功率轉(zhuǎn)換模塊制作的輸出電壓可以調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)輸出電壓，分別設(shè)有+1V、-1V、+0.1V、-0.1V四個按鍵，可以實現(xiàn)輸出電壓的步進調(diào)節(jié)，輸出電壓通過數(shù)碼管顯示出來，輸出電壓的范圍在0-15V之間，精度可以達(dá)到0.1V，并且負(fù)載接電機，便于觀察電壓的變化情況。開關(guān)電源的主要性能有穩(wěn)壓效果好、效率高、輸出電壓可調(diào)、響應(yīng)速率快、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點。

參考文獻(xiàn)

[1]張帥，李俊剛，王興.開關(guān)電源設(shè)計[J].工業(yè)時代，2011.

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

[4]趙同賀，劉軍.開關(guān)電源設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[5]謝春林.電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器TL494[J].國外電子元器件，2001.

作者簡介：王志秦（1979—），女，碩士，唐山學(xué)院信息工程系講師，研究方向：電源技術(shù)，電子技術(shù)。