《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計[圖]
摘要: 與線性電源相比,,開關(guān)電源具有諸多優(yōu)點(diǎn):由于主功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),,其損耗小,整機(jī)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(jìn)行修改。筆者設(shè)計實現(xiàn)了一種單片機(jī)控制的數(shù)字化開關(guān)電源,,有效的改善了上述問題,。
Abstract:
Key words :
引言

與線性電源相比,開關(guān)電源具有諸多優(yōu)點(diǎn):由于主功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),,其損耗小,,整機(jī)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(jìn)行修改。筆者設(shè)計實現(xiàn)了一種單片機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)的PWM 信號放大后驅(qū)動主功率晶體管,單片機(jī)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,。

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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(dāng)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(fù)下正,,整流管D1反向偏置截止,,原邊電感儲存能量;當(dāng)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?fù),整流管正向偏置導(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,。

智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計

1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個數(shù)字化電源的核心部分。

單片機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖3,。

智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計

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(jìn)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(dá)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(diǎn)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(yùn)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(hù)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(jī)溫升過高,。

1.3 驅(qū)動電路設(shè)計

由于單片機(jī)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(jī)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(diǎn):

(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(dāng)?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,。

智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計

PWM為單片機(jī)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(dá)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,。

智能數(shù)字化開關(guān)電源設(shè)計

為了改進(jìn)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(jìn)行限幅處理。另外若出現(xiàn)意外情況,,單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)為核心的可編程電源供應(yīng)器具有較高的使用價值,。

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