基于ARM的智能數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計

隨著現(xiàn)代科技事業(yè)的發(fā)展，電器設(shè)備的精度提高、可靠性加強，智能化和數(shù)字化的實現(xiàn)，開關(guān)電源正朝著高精度、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。開關(guān)電源通過控制開關(guān)通斷的時間比率來維持輸出電壓的穩(wěn)定，具有體積小、重量輕、效率高、紋波小、噪聲低、易擴容、智能化程度高等特點。

本文采用SAMSUNG公司的SC344BOX的ARM7芯片設(shè)計了一種智能化、數(shù)字化的可調(diào)開關(guān)直流電源，對電源主電路實現(xiàn)了全數(shù)字控制，輸出電壓可調(diào)，并提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。控制算法通過軟編程可以使系統(tǒng)升級，也便于用戶根據(jù)各自的需要靈活地選擇不同的控制功能。

1 電源系統(tǒng)的總體設(shè)計

電源系統(tǒng)的設(shè)計要求是：工頻電源交流220V輸入，直流電壓可調(diào)輸出10～2000V，輸出電流小于100mA，用戶可以使用鍵盤隨時更改輸出電壓，顯示屏上顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。根據(jù)要求設(shè)計的電源系統(tǒng)由電源電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。

電源電路部分主要包括整流濾波、BUCK變換器、推挽式直流變換器、濾波器，把工頻電源轉(zhuǎn)化成所需要的直流電源?？刂齐娐凡糠种饕ˋRM7控制單元、電壓分壓反饋取樣、鍵盤／顯示，根據(jù)用戶的輸入?yún)?shù)來調(diào)整輸出的直流電壓，并把當(dāng)前的工作狀態(tài)顯示出來。EMC保護用來消除工頻電源中的噪聲干擾，保護系統(tǒng)電路不被損壞。

2 電源電路部分的工作原理及設(shè)計

2．1整流濾波及BUCK變換器的設(shè)計

整流濾波把工頻的交流電源變成直流電源，其電路如圖2所示，輸入／輸出的波形如圖3所示。為了提高整流效率，采用全橋整流，整流橋硅使用性價比高的KBP3510，2個400V的47μF電容并聯(lián)，輸出直流電壓U0約為300V。

整流濾波電路

輸入/輸出的波形

BUCK變換器又稱降壓變換器，它是ARM根據(jù)當(dāng)前輸入的參數(shù)和反饋電壓，產(chǎn)生PWMl，使用IGBT集成驅(qū)動器來驅(qū)動主電路中的IGBT，由于占空比的變化控制了輸出電壓的值，電路如圖4所示。BUCK變換器必須工作在連續(xù)工作狀態(tài)，則電感L的臨界值為 。由于電源系統(tǒng)輸出功率為150W，則P01>150W，取P01=200W且 ，f0=100kHz；U01的值在2～200V之間可變，則可得[!--empirenews.page--] ，其關(guān)系曲線如圖5所示。所以當(dāng)L>340μH，電容C3為500V的470μF，就可以保證變換器保持連續(xù)工作狀態(tài)。

 
BUCK變換器電路

關(guān)系曲線

2．2 推挽式直流變換器及濾波器的設(shè)計

由于電源的輸出功率小于200W，采用推挽式直流變換器可以滿足此要求。如圖6所示，S1和S2是IGBT，它們交替導(dǎo)通，每個開關(guān)導(dǎo)通比為50％，S1，S2導(dǎo)通分別由PWM2，PWM3控制，PWM2，PWM3是ARM給出的控制信號。S1，S2的作用是在高頻變壓器T的初級產(chǎn)生對稱的交變方波，當(dāng)S2導(dǎo)通(S1截止)時，T的磁芯中磁通上升，當(dāng)S1導(dǎo)通(S2截止)時，T的磁芯磁通下降。在次級產(chǎn)生一個變電壓，經(jīng)D1，D2整流后，便得到直流的輸出電壓U02，在理想狀態(tài)下 分別為變壓器的初級和次級繞線的匝數(shù)。因為與01相連的初級繞組上的電壓反射到初級繞組的另一半上，所以S1或S2在不導(dǎo)通時，兩端的電壓為2U01所以IGBT耐壓要大于2U01，即IGBT的耐壓大于400V。

推挽式直流變換器

在高頻上，變壓器通常采用導(dǎo)磁較高的鐵氧體磁芯或鈹莫合金鐵芯等磁性材料，其目的是為了獲得大的勵磁電感，減小磁路中的功率損耗，使之能以最小的損耗和失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量。本文采用PQ型鐵氧體磁芯，內(nèi)芯為圓柱，繞線方便同時也便于繞成蜂房式線圈以減小分布電容，且沒有棱角，高壓時不易打火擊穿，次級邊的匝數(shù)不超過2000圈，初、次級的匝數(shù)比為1：12。

由于高壓變壓器的匝數(shù)多，初次級之間的耦合度較強，且寄生電容大，它的輸出波形接不連續(xù)，波形如圖7所示。因此輸出的電壓要有濾波器，才能得到比較穩(wěn)定的電壓。濾波器的設(shè)計如圖6所示，電容耐壓3kV，容量為470pF。

波形圖

3 ARM控制系統(tǒng)及其軟件實現(xiàn)功能

該系統(tǒng)采用的ARM是SAMSUNG公司的SC344BOX芯片，是一款低價格、高性能的ARM芯片，擁有出色的外設(shè)模塊，適用于工業(yè)控制、生物識別、多媒體監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)流媒體和智能電器等。其主要特點有：[!--empirenews.page--]

(1) ARM7TDMI內(nèi)核，支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位／16位器件；帶有8KB高速緩存器，主頻可達66MHz；

(2) LCD控制器，可以支持256色STN，且LCD有專用DMA；

(3) 5個PWM定時器，1通道內(nèi)部定時器；

(4) 16位看門狗定時器；

(5) 8通道10位ADC；

(6) 71個通用I／O口，8通道外部中斷源。

采用SC344BOX所設(shè)計的系統(tǒng)，幾乎所有的指令都可以在20ns內(nèi)完成，配合強大的指令運算功能，很容易實現(xiàn)各種控制算法及高速采樣，為了減小系統(tǒng)的靜差，采用了閉環(huán)來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

該電源系統(tǒng)中ARM的主要功能及軟件實現(xiàn)如下：

① 產(chǎn)生PWM波。PWMl用于對BUCK電路中的IGBT的驅(qū)動。根據(jù)輸出采樣，設(shè)定和調(diào)整定時器中周期寄存器的值和比較寄存器中的值來改變輸出PWMl波的周其期和脈沖寬度。PWM2，PWM3設(shè)定周期為50kHz的彼此交互的方波。

② 實時采樣。采用SC34480X中集成的8路10位的ADC轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電壓、電流實時采樣，每一通道的最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，通過采樣模塊MAXl22，將采樣信號轉(zhuǎn)換為2407的ADC所需的O～3．3V電平，在1個開關(guān)周期中，將采樣80次(開關(guān)頻率為50kHz)，采樣后，通過軟件編程調(diào)整驅(qū)動BUCK中電路中的IGBT管的PWMl波形，達到穩(wěn)壓的目的，同時當(dāng)輸出電壓、電流過高或欠壓時，ARM調(diào)用相應(yīng)的子程序來處理突發(fā)事件，起到保護作用。

③ 軟件編程時設(shè)置看門狗電路防止死機。

4 結(jié)語

本文在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一臺基于ARM智能數(shù)字控制技術(shù)的開關(guān)電源。電源的指標(biāo)滿足性能要求：輸出電壓連續(xù)可調(diào)、紋波系數(shù)低于0．5％、輸出電壓穩(wěn)定度小于O．3％。該電源現(xiàn)已投入使用，運行良好。