数控开关电源的设计与实现

数控开关电源的设计与实现摘要：本文采用AT89S51单片机作为数控开关电源的主控部件，通过巧妙的软件设计与简易可靠的硬件电路相配合，实现输出电压可步进调整、输出电压信号可直接显示的功能。整个设计包括电源变换部分、数字控制部分、数码显示部分三大电路模块组成。主芯片采用开关稳压集成电路芯片LM2575，数字电位器X9511依据指令，用数字控制来改变反馈，并将输出电压在数码管上显示。关键词：单片机；开关电源；数控TheSwitchElectricalSourceofHigh-precisionNumericalControlAbstract:Inthisdigitalswitchingpowersupply,AT89S51MCUisthemaincomponents.Throughcleverdesignandsimpleandreliablesoftware,hardwarecircuitline,steppingtoachieveoutputvoltageadjust,outputvoltagesignalfunctionscanbedirectlydisplayed.Transformthewholedesignincludingthepowerofthedigitalcontrolofthepartofthethreedigitaldisplaycircuitmodule.ThemainchipswitchingregulatorICLM2575,DigitalPotentiometersX9511basedoninstructionstochangetheuseofdigitalfeedbackcontrolandoutputvoltageontheLEDdisplay.KeyWords：Singlechipmicrocomputer;switchingpowersupply;numericalcontrol1引言1.1数控开关电源概述随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性与可靠性。而开关电源是目前应用最为广泛的一种新式电源装置，由于其小型化、轻量化、高效率、可大量节约能源等显著优点而深受人们的青睬，并被广泛应用于电子计算机、电视机、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备等领域中。近年来，随着电子信息产业的迅速发展，人们对开关电源的需求也与日俱增。开关电源的开发与制造已成为了方兴未艾、发展前景十分诱人的朝阳产业。而怎样使开关电源在低成本情况下实现高精度的数控化调控成了人们研究的热点。开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。再者开关电源与线性电源相比又有以下优点:1)开关电源的体积和重量明显地小于同功率的线性电源。因为它用高频变压器代替了线性电源中笨重的工频变压器，能降低大量金属消耗。2)开关电源的效率高于线性电源。因为它的功率管工作在开关状态，其效率一般高于60%，且随着输出功率的增大而提高，普遍可达80%以上。对于开关电源而言，只要在脉冲宽度调节范围内，开关电源功率管上的功耗不随电网电压和输出电压变动，固有损耗比较低，所以它可应用于长期工作的各种设备中以降低能耗。而线性电源中由于调整管工作在线性状态且流过负载电流，所以功耗很大。当输出电压较低时，其效率小于50%。3)开关电源的适应性强。因工作方式的特殊性，开关电源能够适应更宽的工作电压范围。以电视机中的开关电源为例，目前生产的电视机能够做到同时适应国内220V和国外110V的电源。在经济日益全球化的今天，这一特性是传统线性电源无法比拟的。4)开关电源更安全。线性电源的输入电压和输出电压的差值较大，一旦调整管击穿，全部输入电压将加到输出端，有可能危及负载。而并联式开关电源中，当功率管损坏时，主回路停止工作，输出端就没有电压输出，不会出现过压现象。另外由于开关电源的效率比较高，开关管上的功耗比较小，发热较低，所以对散热安装设计的要求降低，以及涉及220V电压等情况进行的多重安全设计，都进一步提高了系统的安全性。当今开关电源发展的三大趋势为：1)非隔离DC/DC技术迅速发展2)初级PWM控制IC不断优化3)同步整流技术实现高效率4)开关的频率更高1.2数控开关电源目前发展状况电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。日前，随着单片开关电源集成电路的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍重视。现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。最近两年来，国外—些著名的一些芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。随着单片机技术的发展和控制理论研究的深入，开关电源的数字化控制也从比较简单的MCU加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。实时性和多任务的要求使双CPU结构得到了更加广泛的应用。目前开关电源的发展，主要朝着更高的功能密度和变换效率及更好的动态特性，更好的环保性能，智能化与高可靠性，更广泛的应用等方面发展。1.3开关电源的分类随着电力电子器件和开关变频技术几乎同步开发的前提下，两者相互促进与推动，开关电源每年以超过两位数字的增长率，向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源科分为AC/DC，AC/AC，DC/AC，DC/DC四大类。DC/DC变换器现已实现模块化、成熟化和标准化。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。以下分别对四类开关电源的结构和特性作以阐述。[2]1、DC/DC变换器DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。其具体电路有Buck电路（降压斩波器，其输出平均小于输入电压，极性相同）、Boost电路（升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同）、Buck—Boost电路（降压或升压斩波器，电感传输方式。其输出平均电压大于或小于输出电压，极性相反）和Cuk电路（降压或升压斩波器，电容传输方式。其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反）四种。2、AC/DC变换器AC/DC变换器是将交流电压变换成直流电压，其功率流向可以是双向的功率六由电源流向负载的称为“整流”，功率六有负载返向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准，（如UL、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式右分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相。按电路工袋子和象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。3、DC/AC变换器它是将直流电转换成交流电的开关变换器，有的称其为变流器，是交流输出开关电源和不间断电源(UPS)的主要部件。在某些特殊场合，例如卫星、飞机、舰船、潜艇等没有工频交流电源(50或60Hz)，仅有蓄电池或太阳能电池可供使用，它们都属于直流电源，当需要由这些电源向交流负载供电时，便需要DC／AC变换。此外，工频交流电对某些负载来说并不适用，例如飞机上使用400Hz交流电，感应加热需要使用中频或高频交流电，感应电动机变频凋速需要在一定范围内可以任意变频、变压的交流电等。在有工频交流电源的情况下，先将工频交流电变成直流电，再经过逆变器变成所需频率和电压的交流电，这些应用都需要DC／AC变换技术。随着电力半导体器件的发展，逆变技术在应用范围得到进一步拓宽，它几乎渗透到国民经济的各个领域。尤其是高压、大电流、高频三者功能兼备的场控器件的开发成功，为简化逆变电路、提高逆变器的性能及高频脉宽调制(PWM)技术的广泛应用奠定了基础。4、AC/AC变换器它是将一种频率的交流电直接转换成另一种恒频或可变频率的交流电．或是将变频交流电直接转换成恒频交流电的变换装置。在需要不同于市电频率或频率可变的交流电源场合,通常采用AC／AC变换器，它可以用两种方案实现：(1)AC／DC／AC变换，该方案必须通过AC／DC和DC／AC两次电能变换，故效率较低。(2)AC／AC变换：该方案无需中间直流环节，就可以直接将工频交流电能转换成频率可变的交流电能。故称为直接变频。由于电源电压是交变的，故这种变换大多采用电网换流方式，少数也采用强迫换流方式，随着自关断器件的发展，AC／AC变换技术已得到重视。AC／AC变换技术主要应用范围如下：1)大功率(几千千瓦以上)的交流传动：2)舰船或飞机用的恒频电源。3)静止无功补偿。1.4开关电源的控制方式无工频变压器开关电源的控制方式，大致有以下三种：脉宽调制方式，脉冲频率调制方式，混合调制方式。1.4.1脉宽调制技术脉宽调制PWM技术（相对于软开关技术，PWM也称为硬开关）由于其电路简单、控制方便而得到了广泛应用。1976年美国硅通用公司第一个做出了单片集成控制芯片SG1524，称为脉宽调制器。从此，PWM技术的应用和发展开始进入了相对成熟的阶段。脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）波形图如图1-1所示，是将脉冲周期固定，通过调节脉冲宽度来调节输出电压。图1-1PWM控制方式波形图稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲周期不变，而脉冲宽度变小，使占空比减小，输出电压降低。目前，应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是50～120KHz（使用MOSFET做开关管），在这个范围内，整个系统无论体积、重量、可靠性和价格都基本实现了最佳。但是，常规PWM技术的固有缺陷限制了其进一步的高频化，表现在：1．在开关器件导通和关断的过程中，电压和电流的波形有重叠，产生开关损耗，并且该损耗随着开关频率的提高而增大；2．电路的寄生电感和寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流。由于这些局限性，迫使人们另想办法，围绕着减小开关损耗，消除或缓解电路中寄生参数的影响而提出了谐振变换技术。1.4.2脉冲频率调制技术脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，PFM）波形图如图2-6所示，是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。图1-2PFM控制方式波形图在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便。1.4.3混合调制技术混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。由于Tp和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。目前这种调制方式应用得不是很多，厂品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电