基于AT89S52程控開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開關(guān)電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。開關(guān)電源高頻化、模塊化和智能化是其發(fā)展方向。其中，步進(jìn)可調(diào)、實(shí)時(shí)顯示是開關(guān)電源智能化研究方向之一?，F(xiàn)設(shè)計(jì)開關(guān)電源，技術(shù)指標(biāo)為：輸出電壓30V至36V可調(diào)，最大輸出電流2A，有過流保護(hù)功能，能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整、步進(jìn)值1V，并能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓和電流的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

1 總體設(shè)計(jì)方案

采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，對(duì)普通的開關(guān)電源控制部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)電源的智能控制。設(shè)計(jì)中采用隔離變壓器將市電變壓后通過整流濾波送至DC-DC升壓變換器，經(jīng)過一系列的控制整合電路之后可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。

1.1 DC-DC主回路拓?fù)?/p>

采用UC3842和MAX4080構(gòu)成DC-DC轉(zhuǎn)換電路。UC3842是一塊功能齊全、較為典型的單端電流型PWM控制集成電路，內(nèi)包含誤差放大器、電流檢測(cè)比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電源和欠壓鎖定等單元。電流控制型升壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路，外接元器件少、控制靈活、成本低，輸出功率容易做到100W以上。當(dāng)然，DC-DC轉(zhuǎn)換電路也可以采用成品模塊，若用PI公司生產(chǎn)的DPA-Switch設(shè)計(jì)開關(guān)電源具有集成度高、外圍電路簡(jiǎn)單、發(fā)熱量少、性能指標(biāo)優(yōu)良。

由UC3842設(shè)計(jì)的DC-DC升壓電路直接用誤差信號(hào)控制電感峰值電流，間接地控制PWM脈沖寬度，達(dá)到控制輸出端電壓的目的。開關(guān)管以UC3842設(shè)定的頻率周期開閉，使電感L儲(chǔ)存能量并釋放能量。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感充電，把能量?jī)?chǔ)存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過二極管把儲(chǔ)存的電能釋放到輸出電容器中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少由通過電感電流的峰值來控制。具體設(shè)計(jì)電路如圖1.2所示。

1.2 保護(hù)電路

在大電流的情況下容易損壞芯片，所以需要對(duì)大電流的情況給予電路保護(hù)。設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)控制繼電器的通斷來控制電路中的電流，對(duì)輸出電路電流采樣，采樣值與額定值比較，反饋比較電路如圖1.3所示，當(dāng)電流大于2.5A時(shí)，則產(chǎn)生信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序，使繼電器起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)DC-DC電路的斷電，從而達(dá)到保護(hù)電路的作用。單片機(jī)控制電路如圖1.4所示。該方案中單片機(jī)控制繼電器的吸合時(shí)間短，而且易于實(shí)現(xiàn)。

1.3 數(shù)字設(shè)定及顯示電路

采用AT89S52單片機(jī)和集成芯片CD4051實(shí)現(xiàn)程控和步進(jìn)，用單片機(jī)控制鍵盤實(shí)現(xiàn)輸出電壓的初始設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)電壓的步進(jìn)1V，步減1V。使用液晶顯示輸出電壓和電流，可撥動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇顯示電壓/電流模式。

1.4 程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好相關(guān)電路的基礎(chǔ)上，通過編程由單片機(jī)對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行智能控制。系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S52控制，電源系統(tǒng)具有"+‰"和"-"步進(jìn)功能，步進(jìn)幅度為1V。同時(shí)AT89S52結(jié)合繼電器等電路實(shí)現(xiàn)了電路過流保護(hù)功能，并且能實(shí)時(shí)顯示開關(guān)電源的輸出電壓和電流。程序總流程圖和中斷流程圖如圖1(5，6)所示。

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開關(guān)電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。開關(guān)電源高頻化、模塊化和智能化是其發(fā)展方向。其中，步進(jìn)可調(diào)、實(shí)時(shí)顯示是開關(guān)電源智能化研究方向之一?，F(xiàn)設(shè)計(jì)開關(guān)電源，技術(shù)指標(biāo)為：輸出電壓30V至36V可調(diào)，最大輸出電流2A，有過流保護(hù)功能，能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整、步進(jìn)值1V，并能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓和電流的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

2 提高效率

如何提高開關(guān)電源的效率顯得尤為重要。在提高開關(guān)電源的效率上采取了如下措施。

2.1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路中電感在很大程度上影響系統(tǒng)的效率。市場(chǎng)上很難買到符合要求的電感，在繞制時(shí)對(duì)電感磁芯和漆包線的要求非常高，應(yīng)將輸出電壓紋波降到最小。[!--empirenews.page--]

2.2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路中開關(guān)管采用MOS管取代雙極性晶體管，串聯(lián)柵極電阻將衰減由MOS輸入電容、柵一源電路引線電感所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩?？捎行岣咿D(zhuǎn)換效率，若選用幾個(gè)MOS管IRF530并聯(lián)，可進(jìn)一步提高效率。

2.3續(xù)流二極管選擇肖特基二極管，其開啟時(shí)間短、管壓降小，可使電感存儲(chǔ)能量大，有利于提高電源轉(zhuǎn)換效率。

2.4二極管、電感和MOS管的柵極最好盡可能地靠近焊接，這樣可以減少損耗，有利于提高系統(tǒng)的效率。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)和分析

3.1 電壓調(diào)整率SU

電壓調(diào)整率SU指U2在指定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓U0的變化率。用自耦調(diào)壓器調(diào)節(jié)U2從15V到21V之間變化，在輸出電流為2A時(shí)候，測(cè)量出輸出電壓，從而得到電壓調(diào)整率SU。

3.2 負(fù)載調(diào)整率SI

負(fù)載調(diào)整率SI指I0在指定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓U0的變化率。改變負(fù)載電阻，使輸出電流在0～2A以內(nèi)變化時(shí)，得到負(fù)載調(diào)整率數(shù)據(jù)如下。

3.3 DC-DC變換器效率

效率η=P0/PIN，其中P0=U0I0，PIN=UINIIN。用毫伏表在DC-DC模塊端口直接讀出輸入和輸出電壓電流各值，可得變換器效率。

3.4 紋波電流

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，MOS管源極接上1kΩ的電阻，電源濾波處加無極性電容，濾除高頻紋波。電流紋波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下。

基于AT89S52的開關(guān)穩(wěn)壓電源具有良好智能控制和步進(jìn)功能，測(cè)試數(shù)據(jù)表明電源系統(tǒng)具有較高的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，并具有很高的效率，電源在最大輸出功率下能連續(xù)安全工作足夠長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)然可通過對(duì)MOS管及相關(guān)元器件選擇、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，或選擇DC-DC成品模塊可進(jìn)一步提高電源性能。