一種基于單片機(jī)的數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)應(yīng)用
1、引言
現(xiàn)實(shí)的生活和實(shí)驗(yàn)中,常常要用到各種各樣的電源,電壓要求多樣。如何設(shè)計(jì)一個(gè)電壓穩(wěn)定,輸出電壓精度高,并且調(diào)節(jié)范圍大的電壓源,成了電子技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)。在市面上,各種電源產(chǎn)品各式各樣,有可調(diào)節(jié)的和固定的。但是普遍存在一些問(wèn)題,如轉(zhuǎn)換效率低,功耗大,輸出精度不高,可調(diào)節(jié)范圍過(guò)小,不能滿(mǎn)足特定電壓的要求,輸出不夠穩(wěn)定,紋波電流過(guò)大,并且普遍采用可調(diào)電阻器調(diào)節(jié),操作難度大,易磨損老化。
針對(duì)以上問(wèn)題,本文采用基于KA3525 PWM控制芯片的不對(duì)稱(chēng)半橋式功率變換器,并采用16位凌陽(yáng)單片機(jī)作為數(shù)控核心,通過(guò)其內(nèi)置的D/A輸出調(diào)制PWM,提高了電源的輸出精度和效率,并且方便使用者操作,實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的數(shù)控開(kāi)關(guān)電源。
2、基于單片機(jī)的數(shù)控開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)組成
本數(shù)控開(kāi)關(guān)電源,采用凌陽(yáng)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于PWM控制的不對(duì)稱(chēng)半橋式功率變換器的數(shù)字控制,實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓0V~40V設(shè)定和步進(jìn)值為1連續(xù)調(diào)整,最大輸出電流為2A。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括: PWM控制的開(kāi)關(guān)電源模擬電路部分和凌陽(yáng)單片機(jī)組成的數(shù)控部分。
圖1 基于單片機(jī)的數(shù)控開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖
3、基于PWM控制的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
PWM控制的開(kāi)關(guān)電源電路原理如圖2所示。主要包括EMI濾波電路、整流濾波電路、功率變換電路、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電路、穩(wěn)壓電路、過(guò)流保護(hù)電路以及輔助電源電路等。
圖2 PWM控制的開(kāi)關(guān)電源原理圖
3.1 EMI濾波電路
EMI濾波器如圖3所示電路。該濾波器有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端。電路包括快速保險(xiǎn)絲F1,泄放電阻R1,共模電感L1、L2,濾波電容C1、C2、C8、C9。泄放電阻R1可將C1上積累的電荷泄放掉,避免因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的進(jìn)線端不帶電,保證使用的安全性。共模電感L1-1、L1-2對(duì)差模干擾不起作用,對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗。C1、C9主要用來(lái)抑制差模干擾。C2、C8跨接在輸出端,經(jīng)過(guò)分壓后接地,能有效的抑制共模干擾。
圖3 EMI濾波電路
3.2整流濾波電路
常用整流電路有半波、全波、橋式、倍壓整流等形式。本文采用橋式整流電路,電路如圖4所示。圖中 C3、C10兩個(gè)電容分別用于濾除整流后的高低頻成分。
圖4 整流濾波電路
3.3 功率變換電路
功率變換電路采用不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器,如圖5所示。圖5(a)所示電路開(kāi)關(guān)管M1導(dǎo)通、M2截止,電容C4放電。圖5(b)所示電路開(kāi)關(guān)管M2導(dǎo)通、M1截止時(shí),電容C4充電。圖中R1、R2、R6、R7在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)為泄放電阻,用來(lái)泄放開(kāi)關(guān)管結(jié)電容電壓。C4為儲(chǔ)能電容,電容容量不能低于2μF,否則會(huì)降低系統(tǒng)帶載能力。
(a)
(b)
圖5 不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器電流流向圖
3.4驅(qū)動(dòng)電路
PWM信號(hào)產(chǎn)生芯片采用KA3525,它是一個(gè)典型的性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源控制芯片。其內(nèi)部包括誤差放大器、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。KA3525的1和2腳是內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入端,系統(tǒng)中單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換接口的一個(gè)引腳與KA3525的2腳連接,實(shí)現(xiàn)KA3525的數(shù)字控制與步進(jìn)調(diào)整。11和14腳輸出交替的兩路控制信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與功率開(kāi)關(guān)管的門(mén)極相連接。本文采用的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。當(dāng)11腳輸出高電平、14腳輸出低電平時(shí),N1、P2導(dǎo)通,耦合變壓器原邊電流流向如圖6(a)所示。當(dāng)14腳輸出高電平、11腳輸出低電平時(shí),N2、P1導(dǎo)通,耦合變壓器原邊電流流向如圖6(b)所示。圖7為驅(qū)動(dòng)電路耦合變壓器的輸出波形。
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