近年來(lái)，人們不斷地應(yīng)用單片機(jī)在開(kāi)關(guān)電源控制方面尋求一種設(shè)計(jì)較為合理的解決方案,。較為常見(jiàn)的解決方案有兩種,。(1)模數(shù)混合基本形式。①單片機(jī)只是承擔(dān)智能檢測(cè)與智能控制任務(wù),，電源的控制仍是一般開(kāi)關(guān)電源的控制模式[1];②由單片機(jī)輸出一個(gè)電壓(經(jīng)DA芯片或PWM方式)用作電源的基準(zhǔn)電壓,，同時(shí)還必須有功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路芯片（PWM產(chǎn)生電路）。這種方式僅僅是用單片機(jī)代替了原來(lái)的基準(zhǔn)電壓,，用按鍵輸入電源的電壓值來(lái)改變輸出電壓,，單片機(jī)并沒(méi)有加入電源的反饋環(huán)[2]。(2)利用單片機(jī)擴(kuò)展AD,，不斷檢測(cè)電源的輸出電壓和電流,，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差控制逆變器，改變功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間,，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的,。采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行輸出電壓調(diào)整，在方案過(guò)程中,，實(shí)現(xiàn)使用了PFM方向PWM兩種波形控制技術(shù)的軟件編程方法[3],，使得實(shí)現(xiàn)技術(shù)過(guò)于復(fù)雜。
    為此,，本文提出一種新的單片機(jī)控制直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作方式,，利用單片機(jī)完成PWM波的產(chǎn)生，使用AD轉(zhuǎn)換芯片,不斷循環(huán)檢測(cè)電源輸出電壓,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值相比較的差,直接控制調(diào)解單片機(jī)輸出PWM波占空比,，從而控制電源功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間,，最終實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的穩(wěn)壓。輸出電壓的調(diào)節(jié)則采用通過(guò)改變PWM脈沖寬度的方式實(shí)現(xiàn),。在這種工作方式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源與上述的兩種解決方案相比,，具有方法簡(jiǎn)單、使用器件少及可靠性高等特點(diǎn),。
1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    基于單片機(jī)控制的程控開(kāi)關(guān)電源硬件系統(tǒng)如圖1所示,。該系統(tǒng)由兩大部分組成:(1)控制電路由單片機(jī)軟件編程產(chǎn)生PWM信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)單片機(jī)對(duì)AD采集的輸出反饋電壓,、電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算結(jié)果處理并根據(jù)程序設(shè)置改變PWM信號(hào)輸出狀態(tài),，達(dá)到穩(wěn)定輸出電源電壓的目的,。(2)主電路由典型單端反激電路高頻變壓器、功率MOS開(kāi)關(guān)組成,，完成DC-DC變換[4],。單片機(jī)對(duì)AD采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，分別用來(lái)調(diào)整PWM信號(hào)的脈寬和控制液晶顯示,。單片機(jī)的供電是從220  V電網(wǎng)經(jīng)小功率變壓器,，再進(jìn)行整流濾波、穩(wěn)壓后得到,。應(yīng)用AD對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集,，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析和處理。當(dāng)輸出電壓超過(guò)額定電壓10%或負(fù)載電流大于額定電流20%時(shí),，單片機(jī)自動(dòng)關(guān)斷PWM控制信號(hào),，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警提示以避免損壞用電設(shè)備或開(kāi)關(guān)電源。

1.2單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)的核心,，兼顧運(yùn)算能力與控制能力,，并考慮設(shè)計(jì)成本等因素,系統(tǒng)選用了性價(jià)比較高的STC89C52單片機(jī)作為核心控制器,其系統(tǒng)電路如圖2所示。STC89C52是一款低功耗,、高性能的8 bit微處理器,，片內(nèi)含有8 KB Flash程序存儲(chǔ)器和512 B的RAM，最高時(shí)鐘頻率為40 MHz,，機(jī)器周期可設(shè)置為6個(gè),。AD轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLC2543,它是一款12 bit AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 ?滋s,，具有11路模擬輸入通道,，最大誤差為±1LSB。

1.3 AD采樣電路設(shè)計(jì)
    AD采樣電路如圖3所示,。AD采樣要完成電源輸出電壓,、電流兩部分檢測(cè)任務(wù)。

    (1)輸出電壓檢測(cè)
    單片機(jī)控制TLC2453轉(zhuǎn)換芯片不斷地檢測(cè)電源輸出電壓,，根據(jù)采集到的電壓值調(diào)整PWM占空比,，形成電源反饋回路，使輸出電壓穩(wěn)定在5 V,。當(dāng)輸出電壓大于5.5 V時(shí),，單片機(jī)及時(shí)地做出判斷，關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而關(guān)斷電源輸出,。TLC2543的第一通道AN0對(duì)Sample-V點(diǎn)進(jìn)行采樣得UV,。Uo值可根據(jù)下面公式計(jì)算：
　
式中,UV為電源輸出AD采樣點(diǎn)電壓，R1,、R2為采樣分壓電阻,。
    (2)輸出電流的檢測(cè)
    單片機(jī)控制TLC2453轉(zhuǎn)換芯片不斷地檢測(cè)電源負(fù)載電流,根據(jù)采集到的電流值與設(shè)定值進(jìn)行比較，單片機(jī)可及時(shí)做出判斷,。當(dāng)負(fù)載電流大于2.4 A時(shí),，單片機(jī)會(huì)迅速關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電源輸出關(guān)斷,，保護(hù)外圍電路,。圖3中CS010GT是霍爾效應(yīng)開(kāi)環(huán)電流傳感器，其原邊額定輸入電流IPN=10 A,，其輸出電壓在一定范圍內(nèi)與通過(guò)它的電流成正比,。TLC2453的第二通道AN1對(duì)CS010GT的電壓輸出端Sample-C進(jìn)行采樣,當(dāng)輸出電流大于2.4 A時(shí),單片機(jī)會(huì)迅速地關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電源輸出關(guān)斷,，保護(hù)外圍電路,。
2 電源軟件程序設(shè)計(jì)
2.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    基于單片機(jī)控制的程控開(kāi)關(guān)電源軟件主程序流程框圖[5-6]如圖4所示。程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí),，先對(duì)液晶,、鍵盤(pán)等外部接口進(jìn)行初始化,再對(duì)單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行初始化，使單片機(jī)的一個(gè)I/O口輸出頻率為30 kHz的PWM信號(hào),，驅(qū)動(dòng)MOS開(kāi)關(guān)管,，使電源輸出直流電壓。此時(shí)程序進(jìn)入AD采樣循環(huán),，當(dāng)輸出電壓或電流大于保護(hù)值時(shí),，單片機(jī)會(huì)關(guān)斷PWM信號(hào)的輸出。程序?qū)D采集反饋電壓的數(shù)值與鍵盤(pán)設(shè)定的數(shù)值實(shí)時(shí)進(jìn)行比較,，如果大于設(shè)定的電壓值,，則減小PWM脈寬，減小刻度為PWM最小分辨率;如果輸出電壓小于設(shè)定的電壓,值則增大PWM脈寬,，增大刻度為PWM最小分辨率,。通過(guò)AD對(duì)輸出電壓的實(shí)時(shí)采集和PWM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈寬調(diào)整,使開(kāi)關(guān)電源輸出穩(wěn)定的直流電壓。

2.2單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)算法設(shè)計(jì)
    PWM信號(hào)頻率和調(diào)整的分辨率在很大程度上決定開(kāi)關(guān)電源的工作性能,。在兼顧頻率和分辨率的情況下,單片機(jī)輸出PWM信號(hào)的頻率選為30 kHz,。為了得到較好的效果,應(yīng)盡可能地提高單片機(jī)的運(yùn)行速度,可將單片機(jī)的晶體振蕩器選擇為38 MHz，機(jī)器周期設(shè)定為6個(gè)時(shí)鐘,。使用單片機(jī)的定時(shí)器可以精確地產(chǎn)生PWM信號(hào),，首先給定時(shí)器賦初值設(shè)定高電平時(shí)間,使單片機(jī)的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)管腳在這段時(shí)間內(nèi)為高電平。定時(shí)時(shí)間到達(dá)之后改變定時(shí)器初值,，使驅(qū)動(dòng)輸出管腳在下一個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生低電平,，兩個(gè)定時(shí)時(shí)間之和為33 μs。改變高電平的時(shí)間便可改變PWM的占空比,。采用定時(shí)器模式1,。
    定時(shí)器初值計(jì)算公式為：
    
式中, t為定時(shí)時(shí)間,，T0為定時(shí)器初值，T為時(shí)鐘周期,技術(shù)長(zhǎng)度為216,。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析
　    本設(shè)計(jì)測(cè)試條件為交流輸入電壓220 V,，直流輸出5 V/2 A。
3.1電壓調(diào)整率
    (1)當(dāng)電網(wǎng)電壓從220 V升到250 V時(shí),，輸出電壓調(diào)整率為0.4%,。
    (2)當(dāng)電網(wǎng)電壓從220 V降到190 V時(shí)，輸出電壓調(diào)整率為0.2%,。
3.2電流調(diào)整率
    (1)當(dāng)負(fù)載電流由1 A~2 A時(shí),，電流調(diào)整率為1.0%。
    (2)當(dāng)負(fù)載電流由0.12 A~0.9 A時(shí),電流調(diào)整率為1.0~1.8%,。
3.3實(shí)驗(yàn)波形測(cè)試及分析
    當(dāng)電源交流輸入電壓為220 V,、輸出直流參數(shù)為額定值5 V/2 A時(shí)，直流負(fù)載保持不變,通過(guò)外設(shè)鍵盤(pán)改變直流輸出電壓,，用普源精電公司(RIGOL)數(shù)字存儲(chǔ)示波器DS5102C測(cè)量輸出直流電壓分別在5 V/2 A,、4 V/1.2 A、1.2 V/0.5 A三種工作狀態(tài)下,，功率開(kāi)關(guān)管漏源之間的波形VDS,如圖5(a),、(b)、(c)所示,。當(dāng)負(fù)載不變時(shí),，隨著輸出電壓的改變,功率MOS開(kāi)關(guān)管的VDS漏源波形隨占空比的改變而發(fā)生變化，輸出電壓越小,，占空比越小,。由漏感產(chǎn)生的尖峰電壓隨電源電流大小也發(fā)生變化，負(fù)載電流越大,，由漏感引起尖峰電壓就越大,；漏感引起的尖峰電壓最大值VDS發(fā)生在額定輸出時(shí)，此時(shí)占空比約為42%,。從圖5(a)中可看出要保證電源功率MOS開(kāi)關(guān)管可靠工作VDS必須滿足大于800 V,；從圖5(d)看出，額定輸出時(shí),，示波器實(shí)際測(cè)量輸出的紋波峰峰值小于50 mV,。

3.4 過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)測(cè)試
    當(dāng)輸出電壓大于5.5 V或電流大于2.4 A時(shí),有報(bào)警和顯示提示功能并自動(dòng)關(guān)斷輸出,，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)流保護(hù),。當(dāng)去掉過(guò)壓或過(guò)流后，通過(guò)激活按鍵啟動(dòng)，仍可保證電源正常工作,。
3.5程控電壓輸出
    當(dāng)電源輸出功率大于0.6 W或大于電源額定輸出(輸出5  V/2 A)時(shí),，可實(shí)現(xiàn)從1.2 V到5.0 V，每級(jí)0.1 V的輸出電壓調(diào)節(jié),，最大調(diào)節(jié)范圍可達(dá)額定輸出的76%,。
    從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在單片機(jī)控制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)此開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有輸出電源電壓程控調(diào)解功能,，其調(diào)節(jié)范圍最大可達(dá)額定輸出的76%，并具有良好的電壓,、電流調(diào)整率,，可靠的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)措施,。當(dāng)電源過(guò)流,、過(guò)壓現(xiàn)象消除后，按啟動(dòng)鍵電源仍可正常工作,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,，基于單片機(jī)控制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源，在設(shè)計(jì)彈性方面有了相當(dāng)?shù)母纳?增加了開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的適應(yīng)能力(輸出可調(diào)范圍),，顯示了單片機(jī)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源良好的應(yīng)用發(fā)展前景,。
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