基于單片機控制的程控開關電源研究

近年來，人們不斷地應用單片機在開關電源控制方面尋求一種設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單片機只是承擔智能檢測與智能控制任務，電源的控制仍是一般開關電源的控制模式[1];②由單片機輸出一個電壓(經(jīng)DA芯片或PWM方式)用作電源的基準電壓，同時還必須有功率開關的驅(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)電源輸出電壓與設定值之差控制逆變器，改變功率場效應管的導通與關斷時間，達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。采用單片機技術進行輸出電壓調(diào)整，在方案過程中，實現(xiàn)使用了PFM方向PWM兩種波形控制技術的軟件編程方法[3]，使得實現(xiàn)技術過于復雜。
為此，本文提出一種新的單片機控制直流開關穩(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的導通關斷時間，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上設計的開關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)設計
1.1電源硬件結構設計
基于單片機控制的程控開關電源硬件系統(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信號控制功率開關管導通和關斷，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果處理并根據(jù)程序設置改變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開關組成，完成DC-DC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，單片機自動關斷PWM控制信號，同時產(chǎn)生報警提示以避免損壞用電設備或開關電源。

1.2單片機系統(tǒng)電路設計
單片機系統(tǒng)電路設計是電源設計的核心，兼顧運算能力與控制能力，并考慮設計成本等因素,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 ?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。

(1)輸出電壓檢測
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。當輸出電壓大于5.5 V時，單片機及時地做出判斷，關斷PWM驅(qū)動信號,從而關斷電源輸出。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定值進行比較，單片機可及時做出判斷。當負載電流大于2.4 A時，單片機會迅速關斷PWM驅(qū)動信號，使電源輸出關斷，保護外圍電路。圖3中CS010GT是霍爾效應開環(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,當輸出電流大于2.4 A時,單片機會迅速地關斷PWM驅(qū)動信號，使電源輸出關斷，保護外圍電路。
2 電源軟件程序設計
2.1軟件系統(tǒng)設計
基于單片機控制的程控開關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開關管，使電源輸出直流電壓。此時程序進入AD采樣循環(huán)，當輸出電壓或電流大于保護值時，單片機會關斷PWM信號的輸出。程序?qū)D采集反饋電壓的數(shù)值與鍵盤設定的數(shù)值實時進行比較，如果大于設定的電壓值，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,使開關電源輸出穩(wěn)定的直流電壓。