一種基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計(jì)

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)范圍過小，不能滿足特定電壓的要求，輸出不夠穩(wěn)定，紋波電流過大，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)以上問題，本文采用基于KA3525  PWM控制芯片的不對(duì)稱半橋式功率變換器，并采用16位凌陽單片機(jī)作為數(shù)控核心，通過其內(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)控開關(guān)電源。

2、基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源系統(tǒng)組成

本數(shù)控開關(guān)電源，采用凌陽單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于PWM控制的不對(duì)稱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控制的開關(guān)電源模擬電路部分和凌陽單片機(jī)組成的數(shù)控部分。

  
圖1  基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

3、基于PWM控制的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

PWM控制的開關(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、過流保護(hù)電路以及輔助電源電路等。

  
圖2  PWM控制的開關(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主要用來抑制差模干擾。C2、C8跨接在輸出端，經(jīng)過分壓后接地，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)稱半橋功率變換器，如圖5所示。圖5（a）所示電路開關(guān)管M1導(dǎo)通、M2截止，電容C4放電。圖5（b）所示電路開關(guān)管M2導(dǎo)通、M1截止時(shí)，電容C4充電。圖中R1、R2、R6、R7在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)為泄放電阻，用來泄放開關(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)電路與功率開關(guān)管的門極相連接。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。

  
圖6 不對(duì)稱半橋驅(qū)動(dòng)電路電流流向圖

圖7 驅(qū)動(dòng)電路耦合變壓器的輸出波形

3.5輸出電路

圖8即為L(zhǎng)C濾波電路。電路中電感L4使電流波形變得平滑，電容則起到穩(wěn)壓的作用。其中電容C1為低頻濾波，電容C7為高頻濾波。

  
圖8  LC濾波電路

3.6穩(wěn)壓電路

如圖2所示，輸出電壓經(jīng)采樣電阻采樣調(diào)整后輸入KA3525的1腳，與單片機(jī)設(shè)定的KA3525的2腳電壓進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。若輸出電壓升高，則采樣電壓大于2腳給定電壓，KA3525輸出的脈寬變窄，反之變寬。

3.7輔助電源電路

由于本電路中KA3525芯片和單片機(jī)分別需要12V和5V的直流電壓，故須設(shè)計(jì)輔助電源，其電路如圖9所示。 輔助電源輸出采用三端穩(wěn)壓器7812和7805實(shí)現(xiàn)12V和5V的直流電壓。

  
圖9  輔助電源電路

4、基于凌陽單片機(jī)開關(guān)電源的數(shù)控設(shè)計(jì)

本文數(shù)控部分采用凌陽公司的SPCE061A進(jìn)行控制。SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測(cè)和復(fù)位等部分。SPCE061A單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

本文利用SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部10位的A/D、D/A實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的步進(jìn)控制和測(cè)量以及輸出電壓和電流的顯示功能。采用RT12864液晶顯示，與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的IOB0~IOB7的數(shù)據(jù)口與LCD的DB0~DB7相連接，IOB8為RS，IOB9為R/W，IOB10為E，IOB11為RST。連接方式如圖10所示：

     
圖10  RT12864與SPCE061的連接

輸入鍵盤控制電路采用4×4矩陣式非編碼鍵盤電路，與單片機(jī)進(jìn)行連接。單片機(jī)的IOA8~IOA11做鍵盤的行掃描輸出口，IOA12~IOA15做鍵盤的列掃描輸入口。如圖11所示：

  
圖11  4×4矩陣鍵盤

KA3525的2腳是一個(gè)控制PWM波占空比的引腳，與SPCE061A單片機(jī)DAC1/DAC2引腳鏈接，利用集成的其中1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器，給2腳提供精確的給定電壓，給2腳的電壓越高，KA3525輸出的PWM波的占空比就越大，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間就越長(zhǎng)，穩(wěn)壓源輸出電壓就越高，反之電壓降低。從而可根據(jù)需要通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出電壓的數(shù)字給定和步進(jìn)調(diào)整，達(dá)到數(shù)控的目的。

5、試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)和程序調(diào)試。穩(wěn)壓源的輸出電壓由KA3525芯片2腳的電壓決定。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)KA3525的2腳電壓與輸出電壓成非線性關(guān)系，因此需要多次調(diào)試確定2腳電壓與輸出電壓的值以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的數(shù)字給定和步進(jìn)調(diào)整，本文給出了部分KA3525的2腳輸入電壓與輸出端電壓對(duì)應(yīng)值。對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1  KA3525的2腳輸入電壓與穩(wěn)壓源輸出電壓的關(guān)系

經(jīng)過計(jì)算KA3525的2腳所需要輸入的電壓并將其轉(zhuǎn)化成單片機(jī)所需要的10位數(shù)字量，最后SPCE061A單片機(jī)將10位數(shù)字量左移6位寫入P_DAC1單元的高10位，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的3525芯片2腳給定電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源的步進(jìn)調(diào)整。采樣電壓經(jīng)A./D轉(zhuǎn)換后送LCD顯示，顯示精度可達(dá)0.01V。經(jīng)多次測(cè)試，本電源輸出電壓可以0V～40V連續(xù)調(diào)整，歩進(jìn)值0.1V， 最大輸出電流可達(dá)I0MAX=2.5A，電壓調(diào)整率Su=0.1%，負(fù)載調(diào)整率SI=0.2%，效率η=90%，試驗(yàn)結(jié)果表明本數(shù)控電源方案切實(shí)可行。