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,。

　　1.1 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(dǎo)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?dǎo)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,。

　　1.2 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,。

　　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。

　　1.3 驅(qū)動電路設(shè)計

　　由于單片機輸出5V 1vrL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(dǎo)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(dǎo)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,。

　　考慮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(dǎo)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(dǎo)通,；PWM 信號為低電平時,，U2輸出低電平，T1關(guān)斷,，T2導(dǎo)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,，高頻變壓器溫升低于60℃，完全適應(yīng)于一般場合下的電能供應(yīng)要求,。

　　以單片機為核心的開關(guān)電源,，不僅有助于提高開關(guān)電源的精度，也使得開關(guān)電源更加智能化,。智能化也是今后電源發(fā)展的一個方向,，因此本文設(shè)計的以單片機為核心的可編程電源供應(yīng)器具有較高的使用價值。