基于紅外遙控的數(shù)字調(diào)節(jié)開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)

開關(guān)穩(wěn)壓電源以體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，在電子通信、軍事裝備、交通運輸、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成，和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地發(fā)展，成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。本文介紹一種以89S52單片機為核心，以MOSFET為主開關(guān)管，用PWM調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，使輸出電壓連續(xù)可調(diào)的開關(guān)電源。

開關(guān)電源設(shè)計總體分析

1 開關(guān)電源原理
開關(guān)電源通過電路控制開關(guān)管進行高速的道通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電并提供給變壓器進行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。開關(guān)變壓器可以做得很小，而且工作時溫度不很高，成本很低。其大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有變壓器,而非隔離的未必一定有。

開關(guān)電源的工作流程是:
①交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；
②通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將直流電壓加到開關(guān)變壓器初級上；
③開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負載；
④輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的。
交流電源輸入時一般要經(jīng)過扼流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾，同時也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾；在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高；開關(guān)變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭，以得到需要的輸出；一般還應(yīng)增加一些保護電路,比如空載、短路等，否則可能會燒毀開關(guān)電源。

2 本設(shè)計框圖
本設(shè)計以MCU為核心，輸入為電網(wǎng)電壓，通過友好的鍵盤液晶交互方式，完成連續(xù)可調(diào)的電源輸出。電網(wǎng)電壓通過輸入回路中的整流器和濾波器轉(zhuǎn)換為直流電壓輸入高頻變換器，經(jīng)高頻變換器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖方波電壓，再通過輸出回路中的高頻整流器和濾波器變成直流電壓供給負載。整個系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計
AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K可編程Flash存儲器。以其為核心，系統(tǒng)主要組成部分有：采集信號的調(diào)理模塊，脈寬輸出信號驅(qū)動模塊，過流、過壓保護模塊，人機交互接口模塊，聲光報警報警模塊，RS232模塊。其中，采用紅外遙控模塊是系統(tǒng)的一大特色。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等采集信號調(diào)理電路主要由精密運算放大器組成，通過差動、比例運算放大，消除信號的共模干擾，把采集信號調(diào)理成標準的0～5V電壓信號，經(jīng)ADC輸入給單片機處理。PWM輸出驅(qū)動電路主要是把89S42單片機輸出的PWM的信號進行放大。過流、過壓保護主要由傳統(tǒng)的繼電器，組合邏輯電路組成。當單片機控制電路檢測到輸出過壓、過流或輸入過壓的時候，單片機輸出開關(guān)量到組合邏輯電路，執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急處理。

人機交互接口是電源系統(tǒng)很重要的部分?？紤]到開關(guān)電源的商業(yè)化、產(chǎn)品化的需要，使用了128×64液晶顯示單元。單片機的數(shù)據(jù)可通過串口送到液晶屏顯示出來。此外，采用了鍵盤輸入和紅外遙控輸入兩種方式，可以在惡劣環(huán)境中進行產(chǎn)品和用戶的交互。系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 X51系統(tǒng)電路

高頻變換電路設(shè)計
本開關(guān)電源需要具有可調(diào)輸出電壓的功能，因為采用PWM和PFM相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法，必須選擇合適的高頻變換電路。設(shè)計時，采用雙MOSFET組成反激半橋高頻變換電路，如圖4所示。

圖4 高頻變換電路

該電路中的高頻變壓器T，一次繞組通過兩個場效應(yīng)管接向工頻整流后的直流電源，這兩個場效應(yīng)管同時導(dǎo)通、關(guān)斷。場效應(yīng)管開通時儲存能量；斷開時，磁場能量轉(zhuǎn)化成電能供給負載。這種電路適用于固定頻率、可變頻率、完全和不完全能量傳遞的應(yīng)用場合。其他的工頻整流、濾波電路以及高頻整流濾波電路均選用普通開關(guān)電源常用的電路形式。

圖5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計
1 多任務(wù)設(shè)計
軟件設(shè)計采用實時多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)（Small RTOS51 System），通過高效率的時間片（Time Slice）管理，控制系統(tǒng)運行。
2 系統(tǒng)流程圖
整個系統(tǒng)的運行流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖