基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源及其設(shè)計(jì)

1、2.基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源的可選設(shè)計(jì)方案由單片機(jī)控制的開關(guān)電源, 從對(duì)電源輸出的控制來說, 可以有三種控制方式, 因此, 可供選擇的設(shè)計(jì)方案有三種:( 1) 單片機(jī)輸出一個(gè)電壓( 經(jīng)D/AC 芯片或PWM方式) , 用作開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓。這種方案僅僅是用單片機(jī)代替了原來開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓, 可以用按鍵設(shè)定電源的輸出電壓值, 單片機(jī)并沒有加入電源的反饋環(huán), 電源電路并沒有什么改動(dòng)。這種方式最簡(jiǎn)單。( 2) 單片機(jī)和開關(guān)電源專用PWM芯片相結(jié)合。此方案利用單片機(jī)擴(kuò)展A/D 轉(zhuǎn)換器, 不斷檢測(cè)電源的輸出電壓, 根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差, 調(diào)整D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出, 控制PWM芯片, 間接控制

2、電源的工作。這種方式單片機(jī)已加入到電源的反饋環(huán)中, 代替原來的比較放大環(huán)節(jié), 單片機(jī)的程序要采用比較復(fù)雜的PID 算法。( 3) 單片機(jī)直接控制型。即單片機(jī)擴(kuò)展A/DC, 不斷檢測(cè)電源的輸出電壓, 根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差, 輸出PWM波, 直接控制電源的工作。這種方式單片機(jī)介入電源工作最多。3.最優(yōu)設(shè)計(jì)方案分析三種方案比較第一種方案: 單片機(jī)輸出一個(gè)電壓( 經(jīng)D/AC芯片或PWM方式) , 用作開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓。這種方案中, 僅僅是用單片機(jī)代替了原來開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓, 沒有什么實(shí)際性的意義。第二種方案: 由單片機(jī)調(diào)整D/AC 的輸出, 控制PWM芯片, 間接控制電源的工作。這種方案中

3、單片機(jī)可以只是完成一些彈性的模擬給定, 后面則由開關(guān)電源專用PWM芯片完成一些工作。在這種方案中,對(duì)單片機(jī)的要求不是很高, 51 系列單片機(jī)已可勝任; 從成本上考慮,51 系列單片機(jī)和許多PWM控制芯片的價(jià)格低廉; 另外, 此方案充分解決了由單片機(jī)直接控制型的開關(guān)電源普遍存在的問題由于單片機(jī)輸出的的PWM脈沖頻率低, 導(dǎo)致精度低, 不能滿足要求的問題。因此, 單片機(jī)和PWM芯片相結(jié)合, 是一種完全可行的方案。第三種方案: 是最徹底的單片機(jī)控制開關(guān)電源, 但對(duì)單片機(jī)的要求也高。要求單片機(jī)運(yùn)算速度足夠快, 且能輸出足夠高頻率的PWM波。DSP 類單片機(jī)速度夠快, 但價(jià)格也很高, 占電源總成本的比例

4、太大, 不宜采用。廉價(jià)單片機(jī)中, AVR 系列最快, 具有PWM輸出, 但AVR單片機(jī)的工作頻率仍不夠高, 只能是勉強(qiáng)使用。 比較分析后的結(jié)論。通過以上比較分析, 筆者的認(rèn)為: 第二種方式, 即單片機(jī)和開關(guān)電源專用PWM控制芯片相結(jié)合是目前基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。4.基于89c51 單片機(jī)控制的開關(guān)電源根據(jù)上述最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的結(jié)論, 下面舉出一個(gè)基于此最優(yōu)方案下的實(shí)例, 本實(shí)例根據(jù)典型PWM芯片TL494 的應(yīng)用特點(diǎn), 設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)89c51 輔助控制的正向變換器方式開關(guān)電源。4.1 工作原理4.1.1 電源軟起動(dòng)的實(shí)現(xiàn)正向變換器方式的開關(guān)電源在輸入電壓接通時(shí), 會(huì)產(chǎn)生極

5、強(qiáng)的充電電流, 因此需要通過軟起動(dòng)使輸出電壓平緩地上升。TL494 具有軟起動(dòng)功能, 只要在4 腳與14 腳間接上電容器, 即可使得ton 慢慢擴(kuò)寬, 從而實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。4.1.2 輸出電壓的可調(diào)整與穩(wěn)壓控制開關(guān)電源是借助晶體管的開/關(guān)(ON/OFF) 來實(shí)現(xiàn)能量交換的, 其輸出控制, 由晶體管的導(dǎo)通時(shí)間決定, 流行的方法是采用PWM控制, 具體的方法是控制晶體管導(dǎo)通的占空比。即: 控制脈沖信號(hào)的頻率已定( 周期已定) , 調(diào)整占空比就是調(diào)整脈沖有效電平的寬度。比如: 要提高輸出電壓, 只需調(diào)寬控制脈沖有效電平的寬度即可。同理, 其穩(wěn)壓原理也是基于此。TL494 的4 腳是死區(qū)時(shí)間校正端子, 此

6、腳上給定一電壓值, 可得到一固定脈寬信號(hào)輸出。其原理是: TL494 內(nèi)部振蕩器的三角波電壓在0.2V1.3V 之間, 三角波電壓高于引腳4 的電壓的時(shí)間就是控制信號(hào)的ton。因此, 通過調(diào)整設(shè)定引腳4 的電壓便可調(diào)整PWM輸出的ton時(shí)間, 從而使得輸出電壓可調(diào)。根據(jù)TL494 的資料手冊(cè), 4 腳死區(qū)控制電壓的典型值為: 2.8V 時(shí), 對(duì)應(yīng)Tton=0; 0V 時(shí), 對(duì)應(yīng)最大的ton, 在在這段電壓范圍內(nèi), 對(duì)應(yīng)的電壓值對(duì)應(yīng)了固定的脈寬輸出, 以高頻變換也就得到了相應(yīng)的電壓輸出, 由此輸出可調(diào)的目的也就達(dá)到了, 這種功能具體由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。輸出電壓可調(diào), 隨即需要解決的是穩(wěn)壓, 整機(jī)要求

7、穩(wěn)壓精度稍為高一點(diǎn), 若要采用單片機(jī)來穩(wěn)壓的話, 由于單片機(jī)運(yùn)行一條最簡(jiǎn)單的指令也需要1 個(gè)周期, 當(dāng)采用12M晶振時(shí), 一個(gè)周期為1us, 顯然不符合閉環(huán)穩(wěn)壓的要求, 在這時(shí)可采用TL494 內(nèi)置的誤差放大器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓, 實(shí)現(xiàn)的原理就是運(yùn)用電壓誤差放大器實(shí)現(xiàn)的電壓負(fù)反饋電路。單片機(jī)來給定每一級(jí)需要穩(wěn)壓基準(zhǔn)點(diǎn), 以此來實(shí)現(xiàn)輸出一級(jí)電壓,穩(wěn)定一級(jí)電壓。4.2 硬、軟件實(shí)現(xiàn)4.2.1 硬件實(shí)現(xiàn)本電路主要有控制電路、跟蹤穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路組成。原理框圖如下所示: 輸出電壓可調(diào)控制電路電路的實(shí)現(xiàn)是由單片機(jī)通過鎖存器(74LS377)和D/A 轉(zhuǎn)換器(DAC0800) 實(shí)現(xiàn), 當(dāng)單片機(jī)給74LS37

8、7 送入數(shù)據(jù)并由74LS377 將數(shù)據(jù)鎖存, 經(jīng)DAC0800 轉(zhuǎn)換后輸出的直流電壓給TL494 的4 腳, 給定不同的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電平, 即可實(shí)現(xiàn)不同的電壓輸出。穩(wěn)壓基準(zhǔn)源電路應(yīng)輸出電壓可調(diào)的要求, 那么當(dāng)輸出某一電壓值時(shí)必須要求穩(wěn)壓, 根據(jù)閉環(huán)負(fù)反饋的電路原理可知( 如左圖) , Vref 為穩(wěn)壓基準(zhǔn)電平, Vref 與U維持平衡電壓值只相差十幾個(gè)毫伏, 當(dāng)輸出電壓Uout 升高時(shí), U的電壓值必定升高, 則誤差放大器的輸出電壓會(huì)下降, 使得TL494內(nèi)部的PWM波輸出脈寬變窄。經(jīng)一系列高頻變換濾波得到的輸出電壓Uout 會(huì)降低, 從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。當(dāng)輸出電壓為人為調(diào)整( 升高或降低) 時(shí),

9、則須對(duì)Vref 進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整( 升高或降低) 才能達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。過壓、欠壓保護(hù)電路如上圖左圖所示: 過壓保護(hù)的檢測(cè)電路是利用TL431 來實(shí)現(xiàn)的,TL431 的內(nèi)部含有一個(gè)2.5V 的基準(zhǔn)電壓, 當(dāng)輸入電壓B 增大, 則由兩個(gè)電阻組成的采樣電路所分壓得到的電壓大于2.5V 時(shí), TL431 導(dǎo)通,其陰極K 輸出低電平, 給單片機(jī)一個(gè)中斷信號(hào), 切斷TL494 的輸出,并通過顯示電路顯示當(dāng)前的過壓保護(hù)狀態(tài)。如上圖右圖所示: 檢測(cè)電路也是利用TL431 來實(shí)現(xiàn)的, 當(dāng)輸入電壓B 減小時(shí), 由兩個(gè)電阻組成的采樣電路所分壓得到的電壓小于2.5V 時(shí), TL431 截止, 其陰極K 輸出高電平, 經(jīng)過一個(gè)反相器, 反相器輸出一個(gè)低電平, 由單片機(jī)檢測(cè)出來后, 切斷TL494 的輸出, 并通過顯示電路顯示當(dāng)前的欠壓保護(hù)狀態(tài)。(2)過流保護(hù)電路如上圖所示: 過流保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)是通過CA3140 和一個(gè)PNP 型三極管來實(shí)現(xiàn)的, 當(dāng)電流采樣信號(hào)表現(xiàn)為過流時(shí), 運(yùn)放CA3140 的6腳輸出為一高電平, 使三極