數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計(jì)
種以數(shù)字芯片68HC08微控制器為核心的數(shù)字化開關(guān)電源,將開關(guān)電源的高效與數(shù)字芯片的智能控制相結(jié)合,并運(yùn)用適當(dāng)算法對電壓、電流進(jìn)行調(diào)整以及整個(gè)電路的保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該電源供給用具有較高的輸出精度。
關(guān)鍵詞：68HC08微控制器；數(shù)字化開關(guān)電源；智能控制
0 引言
與線性電源相比,開關(guān)電源具有諸多優(yōu)點(diǎn):由于主功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),其損耗小,整機(jī)效率大大進(jìn)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(guān)電源的設(shè)計(jì)更為簡單,同時(shí)性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關(guān)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(jìn)行修改。筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種單片機(jī)控制的數(shù)字化開關(guān)電源,有效的改善了上述題目。
1 數(shù)字化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理
筆者設(shè)計(jì)的數(shù)字化開關(guān)電源額定功率12OW。系統(tǒng)以開關(guān)電源作為基本電路,采用高性能單片機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,并與軟件給定值相比較,控制和調(diào)整開關(guān)電源的工作狀態(tài),得到期看值。主要包括輸進(jìn)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(jī)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(jī)的PWM信號放大后驅(qū)動主功率晶體管,單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)電路的控制核心,通過采樣值的變化實(shí)時(shí)控制輸出PWM的占空比。整個(gè)設(shè)計(jì)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(dāng)加到原邊主功率開關(guān)管Q1的激勵(lì)脈沖為高電平使Q1導(dǎo)通時(shí),直流輸進(jìn)電壓加在原邊繞組兩端,由于此時(shí)副邊繞組相位是上負(fù)下正,整流管D1反向偏置截止,原邊電感儲存能量;當(dāng)激勵(lì)脈沖為低電平使Q1截止時(shí),原邊繞組兩端電壓極性反向,副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?fù),整流管正向偏置導(dǎo)通,變壓器儲存的能量向副邊開釋。在此開關(guān)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(jī)控制系統(tǒng)
單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)字化電源的核心部分。單片機(jī)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(shí)/計(jì)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(jī)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(jìn)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(guān)管。由于908SR12內(nèi)自帶脈沖寬度調(diào)制模塊,PWM最大頻率達(dá)到125kHz,完全可以用在高頻開關(guān)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(diǎn)式按鍵開關(guān),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(gè)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(jì)量等,并通過指示燈指示不同狀態(tài)。在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)開路或短路現(xiàn)象,指示燈顯示報(bào)警狀態(tài),CPU會立即啟動保護(hù)程序封閉主電路。同時(shí)不斷檢測電源內(nèi)部溫度,防止整機(jī)溫升過高。
1.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
由于單片機(jī)輸出5V1vrL電平不足以驅(qū)動主功率開關(guān)管,并且在整個(gè)電路中原副邊完全電氣隔離,因此單片機(jī)輸出PWM信號不能直接與主功率開關(guān)管相連。另外主功率開關(guān)管的溫升直接影響到整套設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。進(jìn)步開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷速度是解決開關(guān)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(diǎn):
（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(dǎo)通時(shí)間；
（2）具有足夠的泄流能力,即放電電阻要充分小,以進(jìn)步其關(guān)斷速度；
（3）適當(dāng)?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(shè)計(jì)了以下驅(qū)動電路,如圖4。
PWM為單片機(jī)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(shí)現(xiàn)了TTL電平到CMOS電平的轉(zhuǎn)換。PWM信號為高電平時(shí),U2輸出高電平,T1導(dǎo)通,T2關(guān)斷,驅(qū)動電源對開關(guān)管的柵源間電容充電,使之迅速達(dá)到開關(guān)管的開通閾值電壓,開關(guān)管迅速導(dǎo)通;PWM信號為低電平時(shí),U2輸出低電平,T1關(guān)斷,T2導(dǎo)通,開關(guān)管柵源間電容通過T2迅速將電量放出,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的迅速關(guān)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(jià)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(jìn)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(shí)出現(xiàn)較大偏差,對PWM進(jìn)行限幅處理。另外若出現(xiàn)意外情況,單片機(jī)會及時(shí)關(guān)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(guān)電源工作在恒壓模式時(shí),輸出值與期看值誤差不超過30mV工作在恒流模式時(shí),輸出值與期看值不超過40mA;整機(jī)效率在85以上,主功率開關(guān)管的溫升在40℃左右,高頻變壓器溫升低于60℃,完全適應(yīng)于一般場合下的電能供給要求。
以單片機(jī)為核心的開關(guān)電源,不僅有助于進(jìn)步開關(guān)電源的精度,也使得開關(guān)電源更加智能化。智能化也是今后電源發(fā)展的一個(gè)方向,因此本文設(shè)計(jì)的以單片機(jī)為核心的可編程電源供給用具有較高的使用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1]張占松，蔡宣三。開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)（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(guān)電源實(shí)用技術(shù)。北京:電子產(chǎn)業(yè)出版社,2001
[3]DuanYeta1.Digitalcontrollerdesignforswitch-modepowerconverters。IEEE14thApp1.PowerElectron,1999,2（4）:967-973。
關(guān)鍵詞：68HC08微控制器；數(shù)字化開關(guān)電源；智能控制
0 引言
與線性電源相比,開關(guān)電源具有諸多優(yōu)點(diǎn):由于主功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),其損耗小,整機(jī)效率大大進(jìn)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(guān)電源的設(shè)計(jì)更為簡單,同時(shí)性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關(guān)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(jìn)行修改。筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種單片機(jī)控制的數(shù)字化開關(guān)電源,有效的改善了上述題目。
1 數(shù)字化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理
筆者設(shè)計(jì)的數(shù)字化開關(guān)電源額定功率12OW。系統(tǒng)以開關(guān)電源作為基本電路,采用高性能單片機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,并與軟件給定值相比較,控制和調(diào)整開關(guān)電源的工作狀態(tài),得到期看值。主要包括輸進(jìn)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(jī)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(jī)的PWM信號放大后驅(qū)動主功率晶體管,單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)電路的控制核心,通過采樣值的變化實(shí)時(shí)控制輸出PWM的占空比。整個(gè)設(shè)計(jì)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(dāng)加到原邊主功率開關(guān)管Q1的激勵(lì)脈沖為高電平使Q1導(dǎo)通時(shí),直流輸進(jìn)電壓加在原邊繞組兩端,由于此時(shí)副邊繞組相位是上負(fù)下正,整流管D1反向偏置截止,原邊電感儲存能量;當(dāng)激勵(lì)脈沖為低電平使Q1截止時(shí),原邊繞組兩端電壓極性反向,副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?fù),整流管正向偏置導(dǎo)通,變壓器儲存的能量向副邊開釋。在此開關(guān)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(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)字化電源的核心部分。單片機(jī)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(shí)/計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖3。
鍵盤部分采用觸點(diǎn)式按鍵開關(guān),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(gè)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(jì)量等,并通過指示燈指示不同狀態(tài)。在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)開路或短路現(xiàn)象,指示燈顯示報(bào)警狀態(tài),CPU會立即啟動保護(hù)程序封閉主電路。同時(shí)不斷檢測電源內(nèi)部溫度,防止整機(jī)溫升過高。
1.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
由于單片機(jī)輸出5V1vrL電平不足以驅(qū)動主功率開關(guān)管,并且在整個(gè)電路中原副邊完全電氣隔離,因此單片機(jī)輸出PWM信號不能直接與主功率開關(guān)管相連。另外主功率開關(guān)管的溫升直接影響到整套設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。進(jìn)步開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷速度是解決開關(guān)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(diǎn):
（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(dǎo)通時(shí)間；
（2）具有足夠的泄流能力,即放電電阻要充分小,以進(jìn)步其關(guān)斷速度；
（3）適當(dāng)?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(shè)計(jì)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(guān)電源工作在恒壓模式時(shí),輸出值與期看值誤差不超過30mV工作在恒流模式時(shí),輸出值與期看值不超過40mA;整機(jī)效率在85以上,主功率開關(guān)管的溫升在40℃左右,高頻變壓器溫升低于60℃,完全適應(yīng)于一般場合下的電能供給要求。
以單片機(jī)為核心的開關(guān)電源,不僅有助于進(jìn)步開關(guān)電源的精度,也使得開關(guān)電源更加智能化。智能化也是今后電源發(fā)展的一個(gè)方向,因此本文設(shè)計(jì)的以單片機(jī)為核心的可編程電源供給用具有較高的使用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
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[2]劉勝利，現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)。北京:電子產(chǎn)業(yè)出版社,2001
[3]DuanYeta1.Digitalcontrollerdesignforswitch-modepowerconverters。IEEE14thApp1.PowerElectron,1999,2（4）:967-973。
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