數(shù)字化開關電源設計
種以數(shù)字芯片68HC08微控制器為核心的數(shù)字化開關電源,將開關電源的高效與數(shù)字芯片的智能控制相結(jié)合,并運用適當算法對電壓、電流進行調(diào)整以及整個電路的保護。實驗結(jié)果驗證該電源供給用具有較高的輸出精度。
關鍵詞：68HC08微控制器；數(shù)字化開關電源；智能控制
0 引言
與線性電源相比,開關電源具有諸多優(yōu)點:由于主功率晶體管工作在開關狀態(tài),其損耗小,整機效率大大進步;采用鐵氧體高頻變壓器,使電源的體積和重量大為減少,本錢更低等。一些專用電源芯片如TL494、UC3842的出現(xiàn),也使開關電源的設計更為簡單,同時性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關電源輸出通常為單一狀態(tài),若要改變輸出狀態(tài)要對硬件電路進行修改。筆者設計實現(xiàn)了一種單片機控制的數(shù)字化開關電源,有效的改善了上述題目。
1 數(shù)字化開關電源的設計原理
筆者設計的數(shù)字化開關電源額定功率12OW。系統(tǒng)以開關電源作為基本電路,采用高性能單片機作為控制系統(tǒng),在控制算法的支持下,通過對輸出電壓和電流進行實時采樣,并與軟件給定值相比較,控制和調(diào)整開關電源的工作狀態(tài),得到期看值。主要包括輸進的整流濾波校正、功率變換、輔助電源部分、驅(qū)動電路、單片機控制系統(tǒng)5部分。功率變換部分采用單端反激變換電路,輔助電源為驅(qū)動電路提供電能,驅(qū)動電路將來自單片機的PWM信號放大后驅(qū)動主功率晶體管,單片機系統(tǒng)是整個電路的控制核心,通過采樣值的變化實時控制輸出PWM的占空比。整個設計力求做到了性能最優(yōu),本錢最低。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1主電路分析
功率轉(zhuǎn)換部分采用單端反激電路,結(jié)構(gòu)如圖2。當加到原邊主功率開關管Q1的激勵脈沖為高電平使Q1導通時,直流輸進電壓加在原邊繞組兩端,由于此時副邊繞組相位是上負下正,整流管D1反向偏置截止,原邊電感儲存能量;當激勵脈沖為低電平使Q1截止時,原邊繞組兩端電壓極性反向,副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?整流管正向偏置導通,變壓器儲存的能量向副邊開釋。在此開關過程中,高頻變壓器既起變壓隔離作用,又起電感儲能作用。
1.2單片機控制系統(tǒng)
單片機控制系統(tǒng)是整個數(shù)字化電源的核心部分。單片機采用Freescale公司的68HC908SR12,其內(nèi)部資源豐富,集成了12k的程序存儲器,2路定時/計數(shù)器,14通道1o位A/D轉(zhuǎn)換器,PWM輸出,內(nèi)部溫度傳感器等。單片機控制系統(tǒng)框圖如圖3。
ATD0、ATD10分別是電壓電流采樣引腳,將采到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送至CPU。CPU每隔lms進行一次控制調(diào)整,從而輸出占空比合適的PWM信號。PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路隔離放大后直接控制主電路的開關管。由于908SR12內(nèi)自帶脈沖寬度調(diào)制模塊,PWM最大頻率達到125kHz,完全可以用在高頻開關電源中,8位的分辨率,可以保證輸出電壓電流的精度。
鍵盤部分采用觸點式按鍵開關,使用者可以根據(jù)自己需要在額定功率下任意調(diào)整輸出電壓電流值。整個回路采用雙閉環(huán)的控制系統(tǒng),正常情況下電壓環(huán)的反饋使輸出電壓恒定,一旦輸出電流超出最大值,電流環(huán)使輸出電壓降低,輸出電流維持在最大電流值。顯示部分可以由數(shù)碼管或液晶組成,本系統(tǒng)中通過按鍵選擇分別顯示電壓、電流、功率、溫度、電能計量等,并通過指示燈指示不同狀態(tài)。在運行過程中若出現(xiàn)開路或短路現(xiàn)象,指示燈顯示報警狀態(tài),CPU會立即啟動保護程序封閉主電路。同時不斷檢測電源內(nèi)部溫度,防止整機溫升過高。
1.3驅(qū)動電路設計
由于單片機輸出5V1vrL電平不足以驅(qū)動主功率開關管,并且在整個電路中原副邊完全電氣隔離,因此單片機輸出PWM信號不能直接與主功率開關管相連。另外主功率開關管的溫升直接影響到整套設備的穩(wěn)定性與使用壽命。進步開關管的導通與關斷速度是解決開關管溫升題目最本質(zhì)有效的方法。這就要求驅(qū)動電路具有以下特點:
（1）能夠提供足夠大的驅(qū)動電流,即驅(qū)動電路的充電電阻要充分小,以縮短導通時間；
（2）具有足夠的泄流能力,即放電電阻要充分小,以進步其關斷速度；
（3）適當?shù)尿?qū)動電壓,驅(qū)動電壓一般取12V比較合適。考慮到原副邊的電氣隔離,設計了以下驅(qū)動電路,如圖4。
PWM為單片機輸出的占空比信號,經(jīng)過光耦與原邊相連,滿足了原副邊的電氣隔離要求。反相器U2實現(xiàn)了TTL電平到CMOS電平的轉(zhuǎn)換。PWM信號為高電平時,U2輸出高電平,T1導通,T2關斷,驅(qū)動電源對開關管的柵源間電容充電,使之迅速達到開關管的開通閾值電壓,開關管迅速導通;PWM信號為低電平時,U2輸出低電平,T1關斷,T2導通,開關管柵源間電容通過T2迅速將電量放出,實現(xiàn)了開關管的迅速關斷。該驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定且具有很高的驅(qū)動速度,可取代價格較高的驅(qū)動芯片。
2 系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)流程圖如圖5：
為了改進系統(tǒng)的動態(tài)特性及穩(wěn)定性,在數(shù)據(jù)處理程序中對PWM的占空比規(guī)定了上下限,以防連續(xù)采樣時出現(xiàn)較大偏差,對PWM進行限幅處理。另外若出現(xiàn)意外情況,單片機會及時關斷PWM,以防輸出電壓或電流過大而損壞晶體管。
3 結(jié)束語
在采集大量數(shù)據(jù)分析后得到以下結(jié)論:該開關電源工作在恒壓模式時,輸出值與期看值誤差不超過30mV工作在恒流模式時,輸出值與期看值不超過40mA;整機效率在85以上,主功率開關管的溫升在40℃左右,高頻變壓器溫升低于60℃,完全適應于一般場合下的電能供給要求。
以單片機為核心的開關電源,不僅有助于進步開關電源的精度,也使得開關電源更加智能化。智能化也是今后電源發(fā)展的一個方向,因此本文設計的以單片機為核心的可編程電源供給用具有較高的使用價值。
參考文獻：
[1]張占松，蔡宣三。開關電源的原理與設計（修訂版）北京:電子產(chǎn)業(yè)出版社,2004
[2]劉勝利，現(xiàn)代高頻開關電源實用技術。北京:電子產(chǎn)業(yè)出版社,2001
[3]DuanYeta1.Digitalcontrollerdesignforswitch-modepowerconverters。IEEE14thApp1.PowerElectron,1999,2（4）:967-973。
關鍵詞：68HC08微控制器；數(shù)字化開關電源；智能控制
0 引言
與線性電源相比,開關電源具有諸多優(yōu)點:由于主功率晶體管工作在開關狀態(tài),其損耗小,整機效率大大進步;采用鐵氧體高頻變壓器,使電源的體積和重量大為減少,本錢更低等。一些專用電源芯片如TL494、UC3842的出現(xiàn),也使開關電源的設計更為簡單,同時性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關電源輸出通常為單一狀態(tài),若要改變輸出狀態(tài)要對硬件電路進行修改。筆者設計實現(xiàn)了一種單片機控制的數(shù)字化開關電源,有效的改善了上述題目。
1 數(shù)字化開關電源的設計原理
筆者設計的數(shù)字化開關電源額定功率12OW。系統(tǒng)以開關電源作為基本電路,采用高性能單片機作為控制系統(tǒng),在控制算法的支持下,通過對輸出電壓和電流進行實時采樣,并與軟件給定值相比較,控制和調(diào)整開關電源的工作狀態(tài),得到期看值。主要包括輸進的整流濾波校正、功率變換、輔助電源部分、驅(qū)動電路、單片機控制系統(tǒng)5部分。功率變換部分采用單端反激變換電路,輔助電源為驅(qū)動電路提供電能,驅(qū)動電路將來自單片機的PWM信號放大后驅(qū)動主功率晶體管,單片機系統(tǒng)是整個電路的控制核心,通過采樣值的變化實時控制輸出PWM的占空比。整個設計力求做到了性能最優(yōu),本錢最低。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
功率轉(zhuǎn)換部分采用單端反激電路,結(jié)構(gòu)如圖2。當加到原邊主功率開關管Q1的激勵脈沖為高電平使Q1導通時,直流輸進電壓加在原邊繞組兩端,由于此時副邊繞組相位是上負下正,整流管D1反向偏置截止,原邊電感儲存能量;當激勵脈沖為低電平使Q1截止時,原邊繞組兩端電壓極性反向,副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?整流管正向偏置導通,變壓器儲存的能量向副邊開釋。在此開關過程中,高頻變壓器既起變壓隔離作用,又起電感儲能作用。
單片機控制系統(tǒng)是整個數(shù)字化電源的核心部分。單片機采用Freescale公司的68HC908SR12,其內(nèi)部資源豐富,集成了12k的程序存儲器,2路定時/計數(shù)器,14通道1o位A/D轉(zhuǎn)換器,PWM輸出,內(nèi)部溫度傳感器等。單片機控制系統(tǒng)框圖如圖3。
鍵盤部分采用觸點式按鍵開關,使用者可以根據(jù)自己需要在額定功率下任意調(diào)整輸出電壓電流值。整個回路采用雙閉環(huán)的控制系統(tǒng),正常情況下電壓環(huán)的反饋使輸出電壓恒定,一旦輸出電流超出最大值,電流環(huán)使輸出電壓降低,輸出電流維持在最大電流值。顯示部分可以由數(shù)碼管或液晶組成,本系統(tǒng)中通過按鍵選擇分別顯示電壓、電流、功率、溫度、電能計量等,并通過指示燈指示不同狀態(tài)。在運行過程中若出現(xiàn)開路或短路現(xiàn)象,指示燈顯示報警狀態(tài),CPU會立即啟動保護程序封閉主電路。同時不斷檢測電源內(nèi)部溫度,防止整機溫升過高。
1.3驅(qū)動電路設計
由于單片機輸出5V1vrL電平不足以驅(qū)動主功率開關管,并且在整個電路中原副邊完全電氣隔離,因此單片機輸出PWM信號不能直接與主功率開關管相連。另外主功率開關管的溫升直接影響到整套設備的穩(wěn)定性與使用壽命。進步開關管的導通與關斷速度是解決開關管溫升題目最本質(zhì)有效的方法。這就要求驅(qū)動電路具有以下特點:
（1）能夠提供足夠大的驅(qū)動電流,即驅(qū)動電路的充電電阻要充分小,以縮短導通時間；
（2）具有足夠的泄流能力,即放電電阻要充分小,以進步其關斷速度；
（3）適當?shù)尿?qū)動電壓,驅(qū)動電壓一般取12V比較合適。考慮到原副邊的電氣隔離,設計了以下驅(qū)動電路,如圖4。
2 系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)流程圖如圖5：
3 結(jié)束語
在采集大量數(shù)據(jù)分析后得到以下結(jié)論:該開關電源工作在恒壓模式時,輸出值與期看值誤差不超過30mV工作在恒流模式時,輸出值與期看值不超過40mA;整機效率在85以上,主功率開關管的溫升在40℃左右,高頻變壓器溫升低于60℃,完全適應于一般場合下的電能供給要求。
以單片機為核心的開關電源,不僅有助于進步開關電源的精度,也使得開關電源更加智能化。智能化也是今后電源發(fā)展的一個方向,因此本文設計的以單片機為核心的可編程電源供給用具有較高的使用價值。
參考文獻：
[1]張占松，蔡宣三。開關電源的原理與設計（修訂版）北京:電子產(chǎn)業(yè)出版社,2004
[2]劉勝利，現(xiàn)代高頻開關電源實用技術。北京:電子產(chǎn)業(yè)出版社,2001
[3]DuanYeta1.Digitalcontrollerdesignforswitch-modepowerconverters。IEEE14thApp1.PowerElectron,1999,2（4）:967-973。
| 【上一個】 開關電源的數(shù)字控制實現(xiàn)方案 | 【下一個】 基站開關電源模塊休眠技術在節(jié)能降耗中的應用 |