基于单片机的数控开关电源

基于单片机的数控开关电源队长：高阔组员：吴宝洲、董如良、邵茂超摘要：运用电力开关变换技术并以单片机系统为控制核心，采用脉宽调制(PWM)技术。通过使用先进的传感器采样输出电压和输出电流，然后和给定的信号进行比较，经过A／D转换，由单片机结合改进的PID控制算法，产生连续的脉冲控制信号，调节输出电压的变化。关键词：开关电源；单片机；A／D为了使IC、电子部件动作，必需提供稳定的直流电源。使商用电源从交流电压转换为稳定的直流电压的装置被称作电源或直流稳压电源。直流稳压电源的分类:如果从控制方式来大致区分直流稳压电源，则可分为以下2类。一般来说，被称作电源的是指开关方式和线性方式的电源。目前以开关方式为主流。开关电源是利用现代电子电力技术功率开关管（MOSFET,三极管）的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。它在电子、计算机、通信、电器、航空、军事及家电等领域应用非常广泛，具有体积小、重量轻、高效率，控制精度高和快速性好等优点。开关电源已有几十年得发展历史，目前，各种新技术，新工艺和新器件的运用于开关电源，使得开关电源不断发展和完善。产品发展方向：开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。技术发展方向：开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术（表面组装技术）的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS（零电压开关）、ZCS（零电流开关）的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。开关电源已有几十年得发展历史，目前，各种新技术，新工艺和新器件运用于开关电源，电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。开关电源按调制方式划分可以分为：（1）脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电压的大小。通过采样电路，耦合电路构成闭合回路，来稳定输出电压。缩写为PWM。（2）频率调制型：占空比保持不变或关断时间不变，改变振荡器的频率来稳定并调节输出电压幅度。缩写为PFM。（3）混合调制型：通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定，输出电压幅度系统方案设计基本要求：（1）实现对电源的输出控制要用未处理器来代替传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压的连续可调，精度更高。（2）数控直流电源功能的完备数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出，同时具备输出、过压过流保护与预置等功能。（3）闭环控制PWM控制（4）设计要求输出最大电压：25v，并显示；步进值：0.1v，电压课预置；有过流保护。开关电源工作原理和组成：开关电源是导通和截止状态的稳压电源，缩写为SPS（SwitchingPowerSupply）。开关电源的核心部分是一个直流变换器，利用直流变换器可以把电压变成极性、数值不同的多种直流电源。系统的组成：本电源系统可以分为稳压电源电路、单片机控制部分、A/D和D/A转换电路、恒流源电路、显示部分。市电整流滤波电路DC/DC转换电路负载PWM波单片机系统电压显示键盘电压输入驱动LC滤波过电流保护A/D采样电压电流图1：系统原理图系统的工作原理：系统原理如图1所示，系统通过稳压电源向恒流源提供24v电压，向单片机AT89C52、A／D和D／A转换器提供5V电压，通过键盘对电流值进行预置，利用单片机将电流步进值或电流设定值换算后输出相应的数字信号，经过D／A转换、信号放大，驱动恒流源输出电流信号，实际输出的电流再利用精密电阻采样变成电压信号，经过A／D转换，将信号反馈到单片机中，单片机将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成系统的闭环调节，从而提高了输出电流的精度。显示电路用于显示电流设定值。（1）为单片机系统提供电源的直流稳压电源该电源按常规设计，输出电压等级有±5V，±15V。电路原理图如图2、图3所示。图2+5V电源图3－5V与±15V电源（2）为电流源负载提供功率的电源在对为电流源负载提供功率的电源进行设计时，我们考虑了两套方案：①直接采用不稳压的整流电源；②采用直流稳压电源。考虑到系统对容量的要求以及对纹波电流的要求，我们选择了用LM317构成的可调稳压电源。其优点是：①可以进行预稳压，以提高输出电流对输入交流电源电压变化的稳定度；②为压控电流源电路提供具有稳压特性且很小纹波的高质量的工作电源，以有效降低输出电流纹波系数；③可以根据输出电压要求合理整定压控电流源电路的工作电压，在LM317和末级功率三极管间分散负担并合理分配功率损耗，方便散热；其电路原理图如图3所示。图31.25～21V可调电源稳压电源电路输出电压为：VO=VREF1R2/R1+IADJR2输出调节电路中固定电阻Ｒ1取150，此时150125.1125.1Vo212RRR电位器R2选取10k精密线绕电位器，因整流桥输出为26V直流电，故Uomax能满足15V需求，经测量，最大可达到21V。输入输出端滤波电容各取2×4700μF，以减小纹波电压，稳定输出电压，增强带负载能力。选取IN5404，可防止输出输入短路时烧毁芯片。（3）A／D、D／A的转换电路设计根据设计要求，系统要求输出的电流信号为20—2000mA，步进为1mA，且要求显示数值，因此，给定量的执行元件一D／A转换器与检测元件一A／D转换器至少需要11位的转换精度。结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I／O接口资源紧张等因素，最终确定选用串行数据传送方式的ADS7841和DAC7512两款芯片(转换精度均为12位的集成芯片)，其量化精度能达到1／40961／2000，完全能达到设计的精度要求。ADS7841芯片用于将电流检测电路输出的模拟电压信号转换成数字信号，回送给单片机，由单片机将该反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小，由此构成反馈调节，提高输出电流的精度。同时，A／D转换器采样回来的电流经过单片机处理后传送到LED，用以显示当前的实际电流值。D／A转换器将设定的电流值转换为模拟信号并提供给压控恒流源，控制恒流源的输出大小。ADS7841中，在电源输入端并联一个0．1IzF的电容去耦，同时并联一个101_LF的电解电容来提高供电的稳定性。根据其技术资料，将引脚端1和端2短接就能实现5V的基准源输出，并在引脚端6和7之间接一个0．1仙F的电容，能有效地提高抗干扰性能。电压控制的电流源电路如图4所示。压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由U1（OP07）及其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与R2并联的电容器C9起加速反馈的作用，与运放反馈电阻并联的电容器C10起滤波作用，二极管D1起电压钳位作用，用以保护运算放大器；功率放大单元由Q1、Q2和Q3及其配套阻容器件组成，为满足最大输出容量（10V，2000mA）的要求，选取最严重工况（负载端短路且输出2000mA）计算Q3的功率损耗：（10＋5）V×2A＝30W式中，5V是考虑电流源输出10V电压，输出2A电流时，为Q3留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择Q3的型号为：2N5886。图4电压控制的电流源其主要技术参数如下：100V，25A，允许管耗300W。C14起纹波抑制作用，二极管D3用以保护功率三极管Q3，防止其承受反压而损坏；电流反馈单元由仪用放大器AD620和低噪声运放OP07构成，前者对串联在负载回路的康铜丝两端电压进行取样，康铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。仪用放大器具有极强的抗共模干扰的能力，特别适合对小信号进行放大。OP07作为二级放大且其输入端设置一个反馈系数调节用的精密电位器，起着输出电流校正之功用。（4）负载电流、负载电压的测量负载电流、电压测量电路如图7所示。负载电流测量电路与电流源电路中的电流反馈环节相同，可调电位器用作测量回路的增益；负载电压测量电路具有相同结构，只是AD620的取样点是经R3，R4分压得到的，以保证AD620工作在最大允许输入电压值的范围内；注意到负载电压测量电路的这种取样方式，实际所测的是负载电压与康铜丝电压之和，真正的负载电压需要减去康铜丝电压。设置测量上述两个测点的电压，可以直接得到负载电流并通过计算得到负载电压以及负载的直流电阻阻值。图7负载电流、电压测量电路（5）键盘和显示电路设计人机界面包括键盘和显示电路，主要是为了实现对电流值的任意设定，对给定值和输出值实时显示。输入设备采用轻触按键来实现，显示部分采用LED显示。由于显示的电流值最多为4位，所以在设计中使用了8个共阳极数码管，采用动态扫描的方式实现。为了增强位选信号的驱动能力，将位选端口接在9012三极管的基极，使9012三极管工作在开关状态，大大提高了数码管显示的亮度。三、软件设计（1）主程序流程图这里用C语言的单片机程序构成了本次设计电路的软件系统。该程序实现，本次设计电路的主程序流程图如下图所示：主函数流程图（2）D/A转换子程序由原理图可知，片选信号CS和数据传送控制信号XFER都与52单片机的P口相连，WR1、WR2均与P2.2口相连。CPU对DAC1208执行一次写操作，则将一个数据直接写入DAC寄存器，DAC1208的输出模拟量随之变化。由于DAC1208具有数字量的输入锁存功能，故数字量可以直接从51的P0单片机口送入。D/A转换子程序流程图如下图：D/A转换子流程图（3）A/D的软件设计本设计电路中，CE/LOAD引脚接地址引脚，使芯片有效状态可以控制。RUN/HOLD(运行/保持)引脚P口，使A/D转换连续进行。A/D转换正在进行时，STA引脚输出高电平，STA引脚降为低电平时，由P0.2输出低电平信号到ICL7109的HBEN，读高4位数据、极性和溢出位；由P口输出低电平信号到LBEN，读低8位数据。不需要采集数据时，不会影响89C52的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。A/D转换子流程图如下图：A/D转换子流程图（4）键盘防抖动按键操作过程中，往往无意中同时或先后按下两个以上的键或者连击，发出错误的指令，为了防止这种情况，在程序中进行两次判断，以确