智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計

智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計引言與線性電源相比，開關(guān)電源具有諸多優(yōu)點：由于主功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其損耗小，整機效率大大提高；采用鐵氧體高頻變壓器，使電源的體積和重量大為減少，成本更低等。一些專用電源芯片如TL494、UC3842的出現(xiàn)，也使開關(guān)電源的設(shè)計更為簡單，同時性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關(guān)電源輸出通常為單一狀態(tài)，若要改變輸出狀態(tài)要對硬件電路進行修改。筆者設(shè)計實現(xiàn)了一種單片機控制的數(shù)字化開關(guān)電源，有效的改善了上述問題。1數(shù)字化開關(guān)電源的設(shè)計原理筆者設(shè)計的數(shù)字化開關(guān)電源額定功率12OW。系統(tǒng)以開關(guān)電源作為基本電路，采用高性能單片機作為控制系統(tǒng)，在控制算法的支持下，通過對輸出電壓和電流進行實時采樣，并與軟件給定值相比較，控制和調(diào)整開關(guān)電源的工作狀態(tài)，得到期望值。主要包括輸入的整流濾波校正、功率變換、輔助電源部分、驅(qū)動電路、單片機控制系統(tǒng)5部分。功率變換部分采用單端反激變換電路，輔助電源為驅(qū)動電路提供電能，驅(qū)動電路將來自單片機的PWM信號放大后驅(qū)動主功率晶體管，單片機系統(tǒng)是整個電路的控制核心，通過采樣值的變化實時控制輸出PWM的占空比。整個設(shè)計力求做到了性能最優(yōu)，成本最低。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。購正H盤零圖1數(shù)字化開展電豳縊海圖主電路分析功率轉(zhuǎn)換部分采用單端反激電路，結(jié)構(gòu)如圖2。當加到原邊主功率開關(guān)管Q1的激勵脈沖為高電平使Q1導通時，直流輸入電壓加在原邊繞組兩端，由于此時副邊繞組相位是上負下正，整流管D1反向偏置截止，原邊電感儲存能量；當激勵脈沖為低電平使Q1截止時，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?，整流管正向偏置導通，變壓器儲存的能量向副邊釋放。在此開關(guān)過程中，高頻變壓器既起變壓隔離作用，又起電感儲能作用。單片機控制系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)是整個數(shù)字化電源的核心部分。

單片機采用Freescale公司的68HC908SR12，其內(nèi)部資源豐富，集成了12k的程序存儲器，2路定時/計數(shù)器，14通道1o位A/D轉(zhuǎn)換器，PWM輸出，內(nèi)部溫度傳感器等。單片機控制系統(tǒng)框圖如圖3。電壓果甚——電流果群一04t施出一外部中斷一溫度察轉(zhuǎn)一AW0AWWpw/rrci眼QlT$OUTmxwnw.AW0AWWpw/rrci眼QlT$OUTmxwnw.數(shù)碼管/液晶|*3***PTBO-PTBS—T-.--PTBO-PTBS—T-.--——<s■ns圖3單片機控制系雄旗國ATD0、ATD10分別是電壓電流采樣引腳，將采到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送至CPU。CPU每隔lms進行一次控制調(diào)整，從而輸出占空比合適的PWM信號。PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路隔離放大后直接控制主電路的開關(guān)管。由于908SR12內(nèi)自帶脈沖寬度調(diào)制模塊，PWM最大頻率達到125kHz，完全可以用在高頻開關(guān)電源中，8位的分辨率，可以保證輸出電壓電流的精度。鍵盤部分采用觸點式按鍵開關(guān)，使用者可以根據(jù)自己需要在額定功率下任意調(diào)整輸出電壓電流值。整個回路采用雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，正常情況下電壓環(huán)的反饋使輸出電壓恒定，一旦輸出電流超出最大值，電流環(huán)使輸出電壓降低，輸出電流維持在最大電流值。顯示部分可以由數(shù)碼管或液晶組成，本系統(tǒng)中通過按鍵選擇分別顯示電壓、電流、功率、溫度、電能計量等，并通過指示燈指示不同狀態(tài)。在運行過程中若出現(xiàn)開路或短路現(xiàn)象，指示燈顯示報警狀態(tài)，CPU會立刻啟動保護程序關(guān)閉主電路。同時不斷檢測電源內(nèi)部溫度，防止整機溫升過高。驅(qū)動電路設(shè)計由于單片機輸出5V1vrL電平不足以驅(qū)動主功率開關(guān)管，并且在整個電路中原副邊完全電氣隔離，因此單片機輸出PWM信號不能直接與主功率開關(guān)管相連。另外主功率開關(guān)管的溫升直接影響到整套設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。提高開關(guān)管的導通與關(guān)斷速度是解決開關(guān)管溫升問題最本質(zhì)有效的方法。這就要求驅(qū)動電路具有以下特點：（1）能夠提供足夠大的驅(qū)動電流，即驅(qū)動電路的充電電阻要充分小，以縮短導通時間；（2）具有足夠的泄流能力，即放電電阻要充分小，以提高其關(guān)斷速度；（3）適當?shù)尿?qū)動電壓，驅(qū)動電壓一般取12V比較合適?？紤]到原副邊的電氣隔離，設(shè)計了以下驅(qū)動電路，如圖4。PWM為單片機輸出的占空比信號，經(jīng)過光耦與原邊相連，滿足了原副邊的電氣隔離要求。反相器U2實現(xiàn)了TTL電平到CMOS電平的轉(zhuǎn)換。PWM信號為高電平時，U2輸出高電平，T1導通，T2關(guān)斷，驅(qū)動電源對開關(guān)管的柵源間電容充電，使之迅速達到開關(guān)管的開通閾值電壓，開關(guān)管迅速導通；PWM信號為低電平時，U2輸出低電平，T1關(guān)斷，T2導通，開關(guān)管柵源間電容通過T2迅速將電量放出，實現(xiàn)了開關(guān)管的迅速關(guān)斷。該驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定且具有很高的驅(qū)動速度，可取代價格較高的驅(qū)動芯片。2系統(tǒng)軟件流程系統(tǒng)流程圖如圖5。為了改進系統(tǒng)的動態(tài)特性及穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)處理程序中對PWM的占空比規(guī)定了上下限，以防連續(xù)采樣時出現(xiàn)較大偏差，對PWM進行限幅處理。另外若出現(xiàn)意外情況，單片機會及時關(guān)斷PWM，以防輸出電壓或電流過大而損壞晶體管。3結(jié)語在采集大量數(shù)據(jù)分析后得到以下結(jié)論：該開關(guān)電源工作在恒壓模式時，輸出值與期望值誤差不超過30mV~工作在恒流模式時，輸出值與期望值不超過40mA；整機效率在85以上，主功率開關(guān)管的溫升在40℃左右，高頻變壓器溫升低