PIC單片機(jī)加PWM芯片的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

隨著各種電器和儀表設(shè)備的日漸豐富，對(duì)電源應(yīng)用的靈活性提出了更高的要求。設(shè)計(jì)一款使用靈活、方便且價(jià)格相對(duì)便宜的通用電源，正越來(lái)越成為市場(chǎng)所需?，F(xiàn)代單片機(jī)正朝著處理速度越來(lái)越快，外設(shè)資源越來(lái)越豐富，價(jià)格越來(lái)越便宜的方向發(fā)展，將單片機(jī)融入電源的設(shè)計(jì)中可以極大地提升電源的性能和靈活性。本文介紹了一種單片機(jī)加pwm芯片的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，既可以保留pwm芯片帶來(lái)的穩(wěn)定工作性能，又可以利用單片機(jī)的控制能力提供各種人機(jī)交互和通信接口。筆者設(shè)計(jì)的電源作為通用電源使用，可以提供靈活可編程的電壓電流輸出，另外還可以設(shè)置成鉛酸電池充電器的模式，具有廣闊的應(yīng)用前景?！　? 系統(tǒng)功能　　通過(guò)對(duì)電源的編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)圖1所示的電壓輸出波形。其中，v1、v2、t1、t2、dv、dt都是可以通過(guò)編程來(lái)設(shè)定的。電壓值的輸出范圍為0～16v，最大輸出電流為10 a。輸出電壓精度為0.1 v，電流精度為10ma。電流的設(shè)定值指的是允許輸出的最大電流，也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。

　　圖1 編程輸出電壓波形　　另外，電源也可以工作在鉛酸電池充電器的模式（簡(jiǎn)稱(chēng)“l(fā)bc模式”）。根據(jù)鉛酸電池的特性，當(dāng)電源工作在lbc模式時(shí)，電源首先將輸出較大的充電電壓和電流v1/i1，至少維持10s；當(dāng)充電電流降到小于設(shè)定值i2時(shí)，電源輸出較小的充電電壓和電流v2/i2。如果到了設(shè)定時(shí)間t1，充電電流還未降到i2以下，這時(shí)電源輸出也會(huì)降為v2/i2。當(dāng)輸出電流再次大于i2時(shí)，電源將再次輸出v1/i1充電。其中，v2設(shè)定值必須小于14v。若設(shè)置為大于14 v，電源會(huì)自動(dòng)將其設(shè)成14 v。i2的值必須大于1/8i1，否則將被自動(dòng)設(shè)成1/8i1。lbc模式如圖2所示。

　　圖2 lbc模式　　用戶(hù)可以通過(guò)3種方式對(duì)電源進(jìn)行輸出設(shè)定：　?、?通過(guò)電源面板上按鍵編程。通過(guò)按鍵對(duì)輸出電壓、電流限流值、時(shí)間等量進(jìn)行設(shè)定?！　、?通過(guò)pc機(jī)串口編程。通過(guò)將pc機(jī)的串口rs232與電源串口相連，再運(yùn)行pc機(jī)上一串口通信的軟件對(duì)電源進(jìn)行編程?！　、?電源間相互編程。通過(guò)將兩臺(tái)電源的串口相連，操作其中一臺(tái)電源面板上的按鍵來(lái)對(duì)另一臺(tái)進(jìn)行編程。操作的一臺(tái)電源叫做“主電源”，被編程的電源叫做“從電源”。在這種編程方式中，只能將從電源的參數(shù)設(shè)置為與主電源完全一致，而不能對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。一臺(tái)電源只能提供100w的功率。這種方式可以應(yīng)用在需要較大功率的場(chǎng)合，可將兩臺(tái)或多臺(tái)具有相同設(shè)置的電源輸出并聯(lián)來(lái)方便地實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展?！　? 工作原理　　用單片機(jī)來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源，總的來(lái)說(shuō)可以分為兩種：　　第一種是單片機(jī)通過(guò)輸出pwm或da給電源電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)本身不介入電源的反饋中（本設(shè)計(jì)所采用的就是這種方式）；第二種為通過(guò)單片機(jī)輸出的pwm信號(hào)直接控制開(kāi)關(guān)管工作，取代pwm芯片，但這種方式對(duì)單片機(jī)的要求較高，需要具有相當(dāng)高的時(shí)鐘頻率才能滿(mǎn)足對(duì)輸出pwm頻率和分辨率的要求?！　∠到y(tǒng)按模塊來(lái)分可以分成兩大模塊：　　電源模塊和單片機(jī)控制模塊。電源模塊是以pwm芯片為核心的ac—dc變換器，pwm芯片采用安森美半導(dǎo)體的電流型pwm控制器ncp1200作為控制芯片。單片機(jī)控制模塊采用美國(guó)微芯公司的pic16f874作為微控制器，主要實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個(gè)模塊的關(guān)系可以用圖3來(lái)說(shuō)明。

　　圖3 工作原理　　圖3中，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后供給高頻變換電路，由高頻變換電路產(chǎn)生輸出。單片機(jī)輸出兩路pwm信號(hào)，給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值，電源模塊按照單片機(jī)提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機(jī)采樣輸出電壓和電流進(jìn)行顯示，但這里單片機(jī)并不參與系統(tǒng)的反饋，反饋通過(guò)電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)（在后面的部分中會(huì)詳細(xì)講到）?！　? 硬件設(shè)計(jì)　　3.1 電源模塊電路　　ncp1200是安森美半導(dǎo)體公司（on semiconductor）推出的一款電流型pwm控制器。其應(yīng)用電路只需要使用很少的外圍元件，使設(shè)計(jì)更加緊湊。另外，芯片內(nèi)集成輸出短路的保護(hù)電路，使成本可以進(jìn)一步降低?！　D4是以ncp1200為控制芯片的電源電路的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，電源模塊中有兩種反饋類(lèi)型。第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值vss和單片機(jī)提供的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)光耦來(lái)控制ncp1200芯片fb腳的電壓，調(diào)整drv腳輸出pwm的脈寬來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當(dāng)采樣到的輸出