單片機加PWM芯片的開關(guān)電源設(shè)計方法
隨著各種電器和儀表設(shè)備的日漸豐富，對電源應(yīng)用的靈活性提出了更高的要求。設(shè)計一款使用靈活、方便且價格相對便宜的通用電源，正越來越成為市場所需。現(xiàn)代單片機正朝著處理速度越來越快，外設(shè)資源越來越豐富，價格越來越便宜的方向發(fā)展，將單片機融入電源的設(shè)計中可以極大地提升電源的性能和靈活性。本文介紹了一種單片機加PWM芯片的開關(guān)電源設(shè)計方法，既可以保留PWM芯片帶來的穩(wěn)定工作性能，又可以利用單片機的控制能力提供各種人機交互和通信接口。筆者設(shè)計的電源作為通用電源使用，可以提供靈活可編程的電壓電流輸出，另外還可以設(shè)置成鉛酸電池充電器的模式，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)功能
通過對電源的編程，可以方便地實現(xiàn)圖1所示的電壓輸出波形。其中，V1、V2、T1、T2、dv、dt都是可以通過編程來設(shè)定的。電壓值的輸出范圍為0～16V，最大輸出電流為10 A。輸出電壓精度為0.1 V，電流精度為10mA。電流的設(shè)定值指的是允許輸出的最大電流，也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。
圖1 編程輸出電壓波形
另外，電源也可以工作在鉛酸電池充電器的模式(簡稱“LBC模式”)。根據(jù)鉛酸電池的特性，當(dāng)電源工作在LBC模式時，電源首先將輸出較大的充電電壓和電流V1/I1，至少維持10s;當(dāng)充電電流降到小于設(shè)定值I2時，電源輸出較小的充電電壓和電流V2/I2。如果到了設(shè)定時間T1，充電電流還未降到I2以下，這時電源輸出也會降為V2/I2。當(dāng)輸出電流再次大于I2時，電源將再次輸出V1/I1充電。其中，V2設(shè)定值必須小于14V。若設(shè)置為大于14 V，電源會自動將其設(shè)成14 V。I2的值必須大于1/8I1，否則將被自動設(shè)成1/8I1。LBC模式如圖2所示。
圖2 LBC模式
用戶可以通過3種方式對電源進行輸出設(shè)定：
① 通過電源面板上按鍵編程。通過按鍵對輸出電壓、電流限流值、時間等量進行設(shè)定。
② 通過PC機串口編程。通過將PC機的串口RS232與電源串口相連，再運行PC機上一串口通信的軟件對電源進行編程。
③ 電源間相互編程。通過將兩臺電源的串口相連，操作其中一臺電源面板上的按鍵來對另一臺進行編程。操作的一臺電源叫做“主電源”，被編程的電源叫做“從電源”。在這種編程方式中，只能將從電源的參數(shù)設(shè)置為與主電源完全一致，而不能對各個參數(shù)進行單獨設(shè)定。一臺電源只能提供100W的功率。這種方式可以應(yīng)用在需要較大功率的場合，可將兩臺或多臺具有相同設(shè)置的電源輸出并聯(lián)來方便地實現(xiàn)功率擴展。
2 工作原理
用單片機來控制開關(guān)電源，總的來說可以分為兩種：
第一種是單片機通過輸出PWM或DA給電源電路提供一個基準(zhǔn)電壓，單片機本身不介入電源的反饋中(本設(shè)計所采用的就是這種方式);第二種為通過單片機輸出的PWM信號直接控制開關(guān)管工作，取代PWM芯片，但這種方式對單片機的要求較高，需要具有相當(dāng)高的時鐘頻率才能滿足對輸出PWM頻率和分辨率的要求。
系統(tǒng)按模塊來分可以分成兩大模塊：
電源模塊和單片機控制模塊。電源模塊是以PWM芯片為核心的AC—DC變換器，PWM芯片采用安森美半導(dǎo)體的電流型PWM控制器NCP1200作為控制芯片。單片機控制模塊采用美國微芯公司的PIC16F874作為微控制器，主要實現(xiàn)電流電壓信號的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個模塊的關(guān)系可以用圖3來說明。
圖3 工作原理
圖3中，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后供給高頻變換電路，由高頻變換電路產(chǎn)生輸出。單片機輸出兩路PWM信號，給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值，電源模塊按照單片機提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機采樣輸出電壓和電流進行顯示，但這里單片機并不參與系統(tǒng)的反饋，反饋通過電源模塊來實現(xiàn)(在后面的部分中會詳細(xì)講到)。
3 硬件設(shè)計
4 軟件設(shè)計
4.1 軟件流程
軟件用C語言編寫，使用HighTech公司為PIC系列單片機提供的PICC編譯器。系統(tǒng)上電時，單片機讀出非易失性存儲器(EEPROM)中上次設(shè)置參數(shù)，進行電流電壓輸出。在軟件設(shè)計中，采用多個任務(wù)的概念，可以模擬一個簡單的操作系統(tǒng)進行任務(wù)的調(diào)度。由定時器產(chǎn)生一個5ms的中斷，在中斷程序中激活各個任務(wù)的標(biāo)志。如顯示任務(wù)主要負(fù)責(zé)A/D采樣、數(shù)碼管與LED的刷新，可每5ms執(zhí)行一次。鍵盤處理任務(wù)負(fù)責(zé)按鍵的掃描、軟件去抖、鍵盤命令的解釋和掃行，可每10ms執(zhí)行一次。PWM輸出任務(wù)負(fù)責(zé)按照設(shè)定的值進行PWM的輸出，可以每50ms執(zhí)行一次。如果有PC機或其他電源通過串口編程，單片機將在UART中斷中接收編程數(shù)據(jù)，接收完改寫EEPROM中設(shè)置并強行復(fù)位。如果接收到通過按鍵的編程，則在按鍵處理中修改EEPROM的設(shè)置并復(fù)位。程序主流程則掃描各個任務(wù)是否到時間執(zhí)行。是，則執(zhí)行該任務(wù);否則，跳過該任務(wù)。主程序流程如圖7所示。
圖7 主程序流程
4.2 串口編程軟件
在PC機上設(shè)計了軟件來實現(xiàn)PC機與單片機的通信。通過該軟件可以方便地實現(xiàn)對電源電流電壓輸出、定時等參數(shù)的設(shè)定。只要將電源上的RS232口與PC機串口相連，就可實現(xiàn)通信。
利用Visual Basic中的Mscomm控件進行串口通信軟件的設(shè)計(這里僅作簡要的介紹)。PC端數(shù)據(jù)接收通過Oncomm事件來實現(xiàn)，當(dāng)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達到rthreshold屬性設(shè)定值時，就會觸發(fā)Oncomm事件，在中斷程序中讀出接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將收到的字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串后便送到各個文本框顯示。數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先讀出文本框內(nèi)字符串，再將其轉(zhuǎn)換成字符型數(shù)據(jù)，最后通過單擊“發(fā)送”按鈕，將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)中，從而將數(shù)據(jù)從串口發(fā)送出去。
結(jié)語
采用單片機控制，克服了開關(guān)電源單一輸出的缺點，能夠提供靈活的電壓輸出。通過功率聯(lián)合擴展的功能，可以滿足不同功率場合的要求。電源也可以被當(dāng)成鉛酸電池充電器來使用，能自動調(diào)整充電電流和電壓，應(yīng)用場合非常廣泛。
3.1 電源模塊電路
NCP1200是安森美半導(dǎo)體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應(yīng)用電路只需要使用很少的外圍元件，使設(shè)計更加緊湊。另外，芯片內(nèi)集成輸出短路的保護電路，使成本可以進一步降低。
圖4是以NCP1200為控制芯片的電源電路的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，電源模塊中有兩種反饋類型。第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設(shè)定值進行比較，通過光耦來控制NCP1200芯片F(xiàn)B腳的電壓，調(diào)整DRV腳輸出PWM的脈寬來控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，從而達到調(diào)整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當(dāng)采樣到的輸出電流值ISS超過單片機提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導(dǎo)通，將FB腳電壓拉低，使得NCP1200輸出PWM脈寬減小，從而達到限流的目的。當(dāng)輸出電流小于單片機提供的限流值時，限流反饋不起作用。
圖4 電源模塊電路結(jié)構(gòu)
圖中的輔助電源提供+12 V的電壓，另經(jīng)三端穩(wěn)壓器件KA7805(圖中未畫出)產(chǎn)生+5V的電壓，給比較器和單片機控制模塊提供電源。
3.2 單片機控制電路
PIC16F874是美國微芯科技公司(Microchip Technology)的一款8位單片機，內(nèi)置4K×14位的Flash、128字節(jié)的RAM和64字節(jié)的EEPROM。另外,它具有豐富的外設(shè)資源，其內(nèi)置1個UART模塊可供串口通信用，2個*模塊可以產(chǎn)生2路獨立、10位分辨率的PWM信號，8路10位的A/D轉(zhuǎn)換通道。另外，PIC系列單片機的每個I/O能提供25mA的驅(qū)動電流，對于LED的接口電路可以省掉外加晶體管的驅(qū)動電路。
單片機控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
圖5 單片機控制模塊結(jié)構(gòu)框圖
單片機控制系統(tǒng)的主要接口電路：
① 按鍵接口電路。采用暫觸式開關(guān)輸入，使用電阻電容去抖。
② 數(shù)碼管及LED顯示電路。數(shù)碼管顯示電壓、電流、時間等信息。LED指示當(dāng)前顯示的參數(shù)種類。PIC單片機的I/O能夠直接驅(qū)動數(shù)碼管和LED。按鍵輸入和顯示接口電路如圖6所示。
圖6 按鍵輸入和顯示接口電路
③ A/D采樣和PWM輸出電路。A/D負(fù)責(zé)采樣輸出電壓電流并送到數(shù)碼管顯示。當(dāng)前電流電壓設(shè)定值通過由單片機內(nèi)部的*模塊產(chǎn)生的兩路PWM信號來給電源模塊提供一個參考值。單片機內(nèi)部的*模塊可以設(shè)置成PWM輸出模式,通過寫周期寄存器和脈寬寄存器的值就可由硬件產(chǎn)生不同頻率和占空比的PWM波形。
④串口通信接口電路。串口通信接口電路采用MAX232芯片作為RS232收發(fā)器。
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