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直流調速器|單片機控制的程控開關電源
發布時間 : 2018-06-13 08:25 瀏覽量 : 37

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動電路芯片(PWM產生電路)。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[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,達到輸出電壓穩定的目的。采用單片機技術進行輸出電壓調整,在方案過程中,實現使用了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壓電源工作方式,利用單片機完成PWM波的產生,使用AD轉換芯片,不斷循環檢測電源輸出電壓,根據電源輸出電壓與設定值相比較的差,直接控制調解單片機輸出PWM波占空比,從而控制電源功率開關的導通關斷時間,最終實現電源輸出電壓的穩壓。輸出電壓的調節則采用通過改變PWM脈沖寬度的方式實現。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如圖1所示。該系統由兩大部分組成:(1)控制電路由單片機軟件編程產生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程序設置改變PWM信號輸出狀態,達到穩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電網經小功率變壓器,再進行整流濾波、穩壓后得到。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單片機系統電路設計
    單片機系統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,系統選用了性價比較高的STC89C52單片機作為核心控制器,其系統電路如圖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轉換芯片采用的是TLC2543,它是一款12 bit AD轉換器,轉換時間為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轉換芯片不斷地檢測電源輸出電壓,根據采集到的電壓值調整PWM占空比,形成電源反饋回路,使輸出電壓穩定在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轉換芯片不斷地檢測電源負載電流,根據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,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。程序對AD采集反饋電壓的數值與鍵盤設定的數值實時進行比較,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信號的實時脈寬調整,使開關電源輸出穩定的直流電壓。

 

2.2單片機產生PWM信號算法設計
    PWM信號頻率和調整的分辨率在很大程度上決定開關電源的工作性能。在兼顧頻率和分辨率的情況下,單片機輸出PWM信號的頻率選為30 kHz。為了得到較好的效果,應盡可能地提高單片機的運行速度,可將單片機的晶體振蕩器選擇為38 MHz,機器周期設定為6個時鐘。使用單片機的定時器可以精確地產生PWM信號,首先給定時器賦初值設定高電平時間,使單片機的PWM信號的驅動管腳在這段時間內為高電平。定時時間到達之后改變定時器初值,使驅動輸出管腳在下一個時刻產生低電平,兩個定時時間之和為33 μs。改變高電平的時間便可改變PWM的占空比。采用定時器模式1。
    定時器初值計算公式為:
    
式中, t為定時時間,T0為定時器初值,T為時鐘周期,技術長度為216。
3 實驗測試數據及分析
     本設計測試條件為交流輸入電壓220 V,直流輸出5 V/2 A。
3.1電壓調整率
    (1)當電網電壓從220 V升到250 V時,輸出電壓調整率為0.4%。
    (2)當電網電壓從220 V降到190 V時,輸出電壓調整率為0.2%。
3.2電流調整率
    (1)當負載電流由1 A~2 A時,電流調整率為1.0%。
    (2)當負載電流由0.12 A~0.9 A時,電流調整率為1.0~1.8%。
3.3實驗波形測試及分析
    當電源交流輸入電壓為220 V、輸出直流參數為額定值5 V/2 A時,直流負載保持不變,通過外設鍵盤改變直流輸出電壓,用普源精電公司(RIGOL)數字存儲示波器DS5102C測量輸出直流電壓分別在5 V/2 A、4 V/1.2 A、1.2 V/0.5 A三種工作狀態下,功率開關管漏源之間的波形VDS,如圖5(a)、(b)、(c)所示。當負載不變時,隨著輸出電壓的改變,功率MOS開關管的VDS漏源波形隨占空比的改變而發生變化,輸出電壓越小,占空比越小。由漏感產生的尖峰電壓隨電源電流大小也發生變化,負載電流越大,由漏感引起尖峰電壓就越大;漏感引起的尖峰電壓最大值VDS發生在額定輸出時,此時占空比約為42%。從圖5(a)中可看出要保證電源功率MOS開關管可靠工作VDS必須滿足大于800 V;從圖5(d)看出,額定輸出時,示波器實際測量輸出的紋波峰峰值小于50 mV。

 

3.4 過壓、過流保護測試
    當輸出電壓大于5.5 V或電流大于2.4 A時,有報警和顯示提示功能并自動關斷輸出,實現過壓或過流保護。當去掉過壓或過流后,通過激活按鍵啟動,仍可保證電源正常工作。
3.5程控電壓輸出
    當電源輸出功率大于0.6 W或大于電源額定輸出(輸出5  V/2 A)時,可實現從1.2 V到5.0 V,每級0.1 V的輸出電壓調節,最大調節范圍可達額定輸出的76%。
    從測試數據可知,在單片機控制基礎上設計此開關穩壓電源具有輸出電源電壓程控調解功能,其調節范圍最大可達額定輸出的76%,并具有良好的電壓、電流調整率,可靠的過壓、過流保護措施。當電源過流、過壓現象消除后,按啟動鍵電源仍可正常工作。通過實驗測試表明,基于單片機控制基礎設計的開關電源相對于傳統的開關電源,在設計彈性方面有了相當的改善,增加了開關電源應用的適應能力(輸出可調范圍),顯示了單片機設計的開關電源良好的應用發展前景。

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