[導讀]文中在簡單介紹高頻開關電源的工作原理基礎上，以通信用-48V開關電源為功率轉換部分，89C51單片機為控制核心，對開關電源的控制部分進行優(yōu)化設計，詳細闡述了其工作原理，并通過軟件編程實現了對開關電源的智能控制。
摘要：文中在簡單介紹高頻開關電源的工作原理基礎上，以通信用-48V開關電源為功率轉換部分，89C51單片機為控制核心，對開關電源的控制部分進行優(yōu)化設計，詳細闡述了其工作原理，并通過軟件編程實現了對開關電源的智能控制。
關鍵詞：開關電源；單片機；軟件編程
引言
開關電源是利用現代電力電子技術控制功率開關管(MOSFET，IGBT)開通和關斷的時間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。從上世紀90年代以來開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源。利用單片機控制的開關電源，可使開關電源具備更加完善的功能，智能化進一步提高，便于實時監(jiān)控。其功能主要包括對運行中的開關電源進行檢測、自動顯示電源狀態(tài)；可以通過按鍵進行編程控制;可以進行故障自診斷，對電源功率部分實現自動監(jiān)測;可以對電源進行過壓、過流保護；可以對電池充放電進行實時控制。
開關電源的系統(tǒng)結構
通信用-48V開關電源結構圖如圖1所示：
圖1開關電源結構圖
市電經整流濾波和功率因數校正后得到高壓直流電，然后通過DC/DC變換電路得到所需要的直流電壓。控制回路從輸出端取樣并與設定基準進行比較，然后去控制逆變器，改變功率開關管的導通頻率或導通/截止時間進行輸出穩(wěn)定；另一方面，根據檢測電路提供的數據，經保護電路鑒別，利用控制電路對整機進行各種保護和蓄電池的充放電控制。控制電路是整個開關電源的核心部分，一般開關電源的控制電路主要有檢測比較放大電路、電壓—脈沖寬度轉換電路(或電壓—頻率轉化電路)、時鐘振蕩器(或恒脈寬發(fā)生器)、基極驅動電路、過壓過流保護電路以及輔助電源等電路組成。存在著電路復雜，功耗大，靈敏度差，不能實現很好的控制等缺點。
采用單片機89C51模塊組成的控制電路，它具有可編程、功能強、控制簡單、集成度高等諸多優(yōu)點，并對原來的電路存在的不足進行改進，其原理方框圖如圖2所示。
圖2單片機控制電源結構圖
本智能開關電源利用通信用開關電源的基礎電路，以高性能單片機89C51為控制核心，組成數據處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過對開關電源輸出電流、電壓進行數據采樣與給定數據比較，從而調整和控制開關功率管的工作狀態(tài)，同時監(jiān)測輸出電流大小，進行電流控制。其電路的工作原理為:市電經整流濾波、功率校正電路PFC(Power Factor Correct)變成直流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在脈沖寬度調制電路(PWM)和單片機的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓。用戶可根據需要通過鍵盤設定開關電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)自動對電源輸出電壓和電流進行數據采樣，并與用戶給定數據進行比較，然后根據設置的調整算法控制開關調整電路，使電源輸出電壓符合給定值。單片機在調整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，當輸出電流超過給定值時，就啟動保護電路，實現保護功能。為了使智能開關電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設置了多重監(jiān)測和保護系統(tǒng)，主要包括過流保護和短路保護。單片機系統(tǒng)通過電流傳感器檢測開關功率管的輸出電流，當電流超過給定值，單片機系統(tǒng)切斷開關激勵信號并發(fā)出聲光報警，并對電池工作狀況實施檢測。
控制電路
控制電路采用ATMEL公司的89C51單片機，擴展了A/D、D/A、鍵盤顯示、RS232通訊口電路。原理結構如圖3所示。
圖3控制電路原理結構圖
控制系統(tǒng)通過I/O輸入端口經D/A轉換控制功率轉換的開關的導通與關斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定，通過A/D轉換完成對開關電源輸出電壓和電流的采樣，通過系統(tǒng)軟件實現了過壓、過流保護及限流功能。同時采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，開關電源工作時，采用電壓反饋由PWM控制實現對輸出電壓的穩(wěn)壓功能，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán);在電池充電或過載時采用電流信號作為反饋，控制電池的充放電電流并實現過載保護的功能。為了精確控制開關電路的電壓輸出，把單片機的高頻脈沖信號分頻后變成適宜的開關脈沖信號，作為89C51的計數脈沖和門控信號。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較，產生誤差信號。根據電壓控制算法設置89C51產生不同占空比(0～90%)的方波信號，經過光電耦合器控制開關調整電路電壓輸出。輸出端與開關電路進行光電隔離，從而避免了來自開關電源電路的騷擾信號對單片機系統(tǒng)正常工作的影響。
鑒于受控的開關電路輸出電壓的高精度和快速調整特性，可采用改進的 PID控制算法，該算法具有電壓調整快、超調量小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數碼管，3個LED指示燈以及16個鍵構成，其中4位數碼管顯示電源電壓，4位數碼管顯示電流，3個LED指示燈作為報警顯示。
系統(tǒng)軟件設計
本軟件主要完成對信號采樣，各種數據處理、以及對功率轉換部分的控制等。本系統(tǒng)軟件主要包括鍵開關掃描程序、故障判別子程序、均充及浮充子程序、中斷檢測子程序和通信子程序等。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
在初始化過程中，先是將89C51各個輸入端口復位，然后從EEROM中讀出上次關機前存入的數據，控制開關電路，并進行顯示。初始化完成后，開中斷程序。若有中斷請求則響應，否則進行數據采樣并讀取給定值，然后進行數據處理;若有短路或過流情況發(fā)生，則調用報警保護子程序;若要對電池浮一定的動態(tài)性，能在一定程度上反映出電池內部的變化及SoC的大小，但該方法在推導過程中是假設電流是時變的，若電池在一個較長時間段內恒流放電，則會大大降低SoC預測的準確性。基于狀態(tài)空間的動態(tài)模型以反應物的動態(tài)變化建立模型，以測量的電流和電壓作為輸入量計算SoC，同時考慮了活性物質的擴散現象，以此提高SoC的精度，是一種較好的方法；但由于電池模型階數較高，計算比較困難，模型的建立需要確定相當多的經驗參數，給應用帶來較大麻煩。
基于能量模型的SoC定義修正了原來 SoC模型的不足，考慮到電池的可恢復性，綜合了電流、電壓、電阻判斷，在一定程度上提高了SoC的判斷精度，但它沒考慮溫度的影響，需要大量試驗數據。由于電池是密封的，所以外部可測參數只有電流和電壓，采用Randels Ershler電池模型對電池建模，并通過精確的安時積分估算SoC，同時進行容量老化補償、溫度補償、自放電補償及放電率補償，也不失為一種可行的方法。
上述方法能夠在一定程度上反映剩余電量的多少，適用于電動車用電池SoC的預測，但是這些模型參數確定需要許多反復的迭代步驟，并且重要的是，這些算法必須知道電池的SoC初值。因為要實時計算顯示SoC的值，這是需要時間的。模型越復雜，計算SoC所需時間也越多。 SoC的預測方法很多，但要達到較高的精度，在電池建模及SoC預測方法方面還有大量的工作可做。
關鍵詞：開關電源；單片機；軟件編程
引言
開關電源是利用現代電力電子技術控制功率開關管(MOSFET，IGBT)開通和關斷的時間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。從上世紀90年代以來開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源。利用單片機控制的開關電源，可使開關電源具備更加完善的功能，智能化進一步提高，便于實時監(jiān)控。其功能主要包括對運行中的開關電源進行檢測、自動顯示電源狀態(tài)；可以通過按鍵進行編程控制;可以進行故障自診斷，對電源功率部分實現自動監(jiān)測;可以對電源進行過壓、過流保護；可以對電池充放電進行實時控制。
開關電源的系統(tǒng)結構
通信用-48V開關電源結構圖如圖1所示：
圖1開關電源結構圖
市電經整流濾波和功率因數校正后得到高壓直流電，然后通過DC/DC變換電路得到所需要的直流電壓。控制回路從輸出端取樣并與設定基準進行比較，然后去控制逆變器，改變功率開關管的導通頻率或導通/截止時間進行輸出穩(wěn)定；另一方面，根據檢測電路提供的數據，經保護電路鑒別，利用控制電路對整機進行各種保護和蓄電池的充放電控制。控制電路是整個開關電源的核心部分，一般開關電源的控制電路主要有檢測比較放大電路、電壓—脈沖寬度轉換電路(或電壓—頻率轉化電路)、時鐘振蕩器(或恒脈寬發(fā)生器)、基極驅動電路、過壓過流保護電路以及輔助電源等電路組成。存在著電路復雜，功耗大，靈敏度差，不能實現很好的控制等缺點。
采用單片機89C51模塊組成的控制電路，它具有可編程、功能強、控制簡單、集成度高等諸多優(yōu)點，并對原來的電路存在的不足進行改進，其原理方框圖如圖2所示。
圖2單片機控制電源結構圖
本智能開關電源利用通信用開關電源的基礎電路，以高性能單片機89C51為控制核心，組成數據處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過對開關電源輸出電流、電壓進行數據采樣與給定數據比較，從而調整和控制開關功率管的工作狀態(tài)，同時監(jiān)測輸出電流大小，進行電流控制。其電路的工作原理為:市電經整流濾波、功率校正電路PFC(Power Factor Correct)變成直流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在脈沖寬度調制電路(PWM)和單片機的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓。用戶可根據需要通過鍵盤設定開關電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)自動對電源輸出電壓和電流進行數據采樣，并與用戶給定數據進行比較，然后根據設置的調整算法控制開關調整電路，使電源輸出電壓符合給定值。單片機在調整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，當輸出電流超過給定值時，就啟動保護電路，實現保護功能。為了使智能開關電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設置了多重監(jiān)測和保護系統(tǒng)，主要包括過流保護和短路保護。單片機系統(tǒng)通過電流傳感器檢測開關功率管的輸出電流，當電流超過給定值，單片機系統(tǒng)切斷開關激勵信號并發(fā)出聲光報警，并對電池工作狀況實施檢測。
控制電路
控制電路采用ATMEL公司的89C51單片機，擴展了A/D、D/A、鍵盤顯示、RS232通訊口電路。原理結構如圖3所示。
圖3控制電路原理結構圖
控制系統(tǒng)通過I/O輸入端口經D/A轉換控制功率轉換的開關的導通與關斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定，通過A/D轉換完成對開關電源輸出電壓和電流的采樣，通過系統(tǒng)軟件實現了過壓、過流保護及限流功能。同時采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，開關電源工作時，采用電壓反饋由PWM控制實現對輸出電壓的穩(wěn)壓功能，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán);在電池充電或過載時采用電流信號作為反饋，控制電池的充放電電流并實現過載保護的功能。為了精確控制開關電路的電壓輸出，把單片機的高頻脈沖信號分頻后變成適宜的開關脈沖信號，作為89C51的計數脈沖和門控信號。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較，產生誤差信號。根據電壓控制算法設置89C51產生不同占空比(0～90%)的方波信號，經過光電耦合器控制開關調整電路電壓輸出。輸出端與開關電路進行光電隔離，從而避免了來自開關電源電路的騷擾信號對單片機系統(tǒng)正常工作的影響。
鑒于受控的開關電路輸出電壓的高精度和快速調整特性，可采用改進的 PID控制算法，該算法具有電壓調整快、超調量小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數碼管，3個LED指示燈以及16個鍵構成，其中4位數碼管顯示電源電壓，4位數碼管顯示電流，3個LED指示燈作為報警顯示。
系統(tǒng)軟件設計
本軟件主要完成對信號采樣，各種數據處理、以及對功率轉換部分的控制等。本系統(tǒng)軟件主要包括鍵開關掃描程序、故障判別子程序、均充及浮充子程序、中斷檢測子程序和通信子程序等。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
在初始化過程中，先是將89C51各個輸入端口復位，然后從EEROM中讀出上次關機前存入的數據，控制開關電路，并進行顯示。初始化完成后，開中斷程序。若有中斷請求則響應，否則進行數據采樣并讀取給定值，然后進行數據處理;若有短路或過流情況發(fā)生，則調用報警保護子程序;若要對電池浮一定的動態(tài)性，能在一定程度上反映出電池內部的變化及SoC的大小，但該方法在推導過程中是假設電流是時變的，若電池在一個較長時間段內恒流放電，則會大大降低SoC預測的準確性。基于狀態(tài)空間的動態(tài)模型以反應物的動態(tài)變化建立模型，以測量的電流和電壓作為輸入量計算SoC，同時考慮了活性物質的擴散現象，以此提高SoC的精度，是一種較好的方法；但由于電池模型階數較高，計算比較困難，模型的建立需要確定相當多的經驗參數，給應用帶來較大麻煩。
基于能量模型的SoC定義修正了原來 SoC模型的不足，考慮到電池的可恢復性，綜合了電流、電壓、電阻判斷，在一定程度上提高了SoC的判斷精度，但它沒考慮溫度的影響，需要大量試驗數據。由于電池是密封的，所以外部可測參數只有電流和電壓，采用Randels Ershler電池模型對電池建模，并通過精確的安時積分估算SoC，同時進行容量老化補償、溫度補償、自放電補償及放電率補償，也不失為一種可行的方法。
上述方法能夠在一定程度上反映剩余電量的多少，適用于電動車用電池SoC的預測，但是這些模型參數確定需要許多反復的迭代步驟，并且重要的是，這些算法必須知道電池的SoC初值。因為要實時計算顯示SoC的值，這是需要時間的。模型越復雜，計算SoC所需時間也越多。 SoC的預測方法很多，但要達到較高的精度，在電池建模及SoC預測方法方面還有大量的工作可做。
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