1,、引言

　　現(xiàn)實(shí)的生活和實(shí)驗(yàn)中,，常常要用到各種各樣的電源，電壓要求多樣,。如何設(shè)計(jì)一個(gè)電壓穩(wěn)定,，輸出電壓精度高，并且調(diào)節(jié)范圍大的電壓源,，成了電子技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn),。在市面上，各種電源產(chǎn)品各式各樣,，有可調(diào)節(jié)的和固定的,。但是普遍存在一些問題，如轉(zhuǎn)換效率低,，功耗大,，輸出精度不高，可調(diào)節(jié)范圍過小,，不能滿足特定電壓的要求,，輸出不夠穩(wěn)定，紋波電流過大,，并且普遍采用可調(diào)電阻器調(diào)節(jié),，操作難度大，易磨損老化,。

　　針對(duì)以上問題,，本文采用基于KA3525  PWM控制芯片的不對(duì)稱半橋式功率變換器，并采用16位凌陽單片機(jī)作為數(shù)控核心,，通過其內(nèi)置的D/A輸出調(diào)制PWM,，提高了電源的輸出精度和效率，并且方便使用者操作，實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源,。

　　2,、基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源系統(tǒng)組成

　　本數(shù)控開關(guān)電源，采用凌陽單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于PWM控制的不對(duì)稱半橋式功率變換器的數(shù)字控制,，實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓0V～40V設(shè)定和步進(jìn)值為1連續(xù)調(diào)整,，最大輸出電流為2A。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓和輸出電流的顯示等功能,。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。系統(tǒng)主要包括： PWM控制的開關(guān)電源模擬電路部分和凌陽單片機(jī)組成的數(shù)控部分。

圖1  基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

　　3,、基于PWM控制的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　PWM控制的開關(guān)電源電路原理如圖2所示,。主要包括EMI濾波電路、整流濾波電路,、功率變換電路,、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電路,、穩(wěn)壓電路,、過流保護(hù)電路以及輔助電源電路等。

圖2  PWM控制的開關(guān)電源原理圖

　　3.1 EMI濾波電路

　　EMI濾波器如圖3所示電路,。該濾波器有兩個(gè)輸入端,、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端。電路包括快速保險(xiǎn)絲F1,，泄放電阻R1,，共模電感L1、L2,，濾波電容C1,、C2、C8,、C9,。泄放電阻R1可將C1上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性,；斷電后還能使電源的進(jìn)線端不帶電,保證使用的安全性,。共模電感L1-1、L1-2對(duì)差模干擾不起作用,，對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗。C1,、C9主要用來抑制差模干擾,。C2、C8跨接在輸出端，經(jīng)過分壓后接地,，能有效的抑制共模干擾,。

圖3  EMI濾波電路

　　3.2整流濾波電路

　　常用整流電路有半波、全波,、橋式,、倍壓整流等形式。本文采用橋式整流電路,，電路如圖4所示,。圖中 C3、C10兩個(gè)電容分別用于濾除整流后的高低頻成分,。

圖4  整流濾波電路

　　3.3 功率變換電路

　　功率變換電路采用不對(duì)稱半橋功率變換器,，如圖5所示。圖5（a）所示電路開關(guān)管M1導(dǎo)通,、M2截止,，電容C4放電。圖5（b）所示電路開關(guān)管M2導(dǎo)通,、M1截止時(shí),，電容C4充電。圖中R1,、R2,、R6、R7在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)為泄放電阻,，用來泄放開關(guān)管結(jié)電容電壓,。C4為儲(chǔ)能電容，電容容量不能低于2μF,，否則會(huì)降低系統(tǒng)帶載能力,。

(a)

(b)

圖5 不對(duì)稱半橋功率變換器電流流向圖

　　3.4驅(qū)動(dòng)電路

　　PWM信號(hào)產(chǎn)生芯片采用KA3525，它是一個(gè)典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制芯片,。其內(nèi)部包括誤差放大器,、比較器、振蕩器,、觸發(fā)器,、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。KA3525的1和2腳是內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入端,，系統(tǒng)中單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換接口的一個(gè)引腳與KA3525的2腳連接,，實(shí)現(xiàn)KA3525的數(shù)字控制與步進(jìn)調(diào)整。11和14腳輸出交替的兩路控制信號(hào),，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與功率開關(guān)管的門極相連接,。本文采用的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示,。當(dāng)11腳輸出高電平、14腳輸出低電平時(shí),，N1,、P2導(dǎo)通，耦合變壓器原邊電流流向如圖6（a）所示,。當(dāng)14腳輸出高電平,、11腳輸出低電平時(shí)，N2,、P1導(dǎo)通,，耦合變壓器原邊電流流向如圖6（b）所示。圖7為驅(qū)動(dòng)電路耦合變壓器的輸出波形,。

圖6 不對(duì)稱半橋驅(qū)動(dòng)電路電流流向圖

圖7 驅(qū)動(dòng)電路耦合變壓器的輸出波形

　　3.5輸出電路

　　圖8即為LC濾波電路,。電路中電感L4使電流波形變得平滑，電容則起到穩(wěn)壓的作用,。其中電容C1為低頻濾波,，電容C7為高頻濾波。

圖8  LC濾波電路

　　3.6穩(wěn)壓電路

　　如圖2所示,，輸出電壓經(jīng)采樣電阻采樣調(diào)整后輸入KA3525的1腳,，與單片機(jī)設(shè)定的KA3525的2腳電壓進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓,。若輸出電壓升高,，則采樣電壓大于2腳給定電壓，KA3525輸出的脈寬變窄,，反之變寬,。

　　3.7輔助電源電路

　　由于本電路中KA3525芯片和單片機(jī)分別需要12V和5V的直流電壓，故須設(shè)計(jì)輔助電源,，其電路如圖9所示,。 輔助電源輸出采用三端穩(wěn)壓器7812和7805實(shí)現(xiàn)12V和5V的直流電壓。

圖9  輔助電源電路

　　4,、基于凌陽單片機(jī)開關(guān)電源的數(shù)控設(shè)計(jì)

　　本文數(shù)控部分采用凌陽公司的SPCE061A進(jìn)行控制,。SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,、數(shù)/模轉(zhuǎn)換,、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出,、通用異步串行接口,、低電壓監(jiān)測和復(fù)位等部分。SPCE061A單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,。

　　本文利用SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部10位的A/D,、D/A實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的步進(jìn)控制和測量以及輸出電壓和電流的顯示功能,。采用RT12864液晶顯示,，與單片機(jī)相連接,，單片機(jī)的IOB0~IOB7的數(shù)據(jù)口與LCD的DB0~DB7相連接，IOB8為RS,，IOB9為R/W,，IOB10為E，IOB11為RST,。連接方式如圖10所示：

圖10  RT12864與SPCE061的連接

　　輸入鍵盤控制電路采用4×4矩陣式非編碼鍵盤電路,，與單片機(jī)進(jìn)行連接。單片機(jī)的IOA8~IOA11做鍵盤的行掃描輸出口,，IOA12~IOA15做鍵盤的列掃描輸入口,。如圖11所示：

圖11  4×4矩陣鍵盤

　　KA3525的2腳是一個(gè)控制PWM波占空比的引腳，與SPCE061A單片機(jī)DAC1/DAC2引腳鏈接,，利用集成的其中1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器,，給2腳提供精確的給定電壓，給2腳的電壓越高,，KA3525輸出的PWM波的占空比就越大,，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間就越長，穩(wěn)壓源輸出電壓就越高,，反之電壓降低,。從而可根據(jù)需要通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出電壓的數(shù)字給定和步進(jìn)調(diào)整，達(dá)到數(shù)控的目的,。

　　5,、試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)和程序調(diào)試,。穩(wěn)壓源的輸出電壓由KA3525芯片2腳的電壓決定,。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)KA3525的2腳電壓與輸出電壓成非線性關(guān)系，因此需要多次調(diào)試確定2腳電壓與輸出電壓的值以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的數(shù)字給定和步進(jìn)調(diào)整,，本文給出了部分KA3525的2腳輸入電壓與輸出端電壓對(duì)應(yīng)值,。對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1  KA3525的2腳輸入電壓與穩(wěn)壓源輸出電壓的關(guān)系

　　經(jīng)過計(jì)算KA3525的2腳所需要輸入的電壓并將其轉(zhuǎn)化成單片機(jī)所需要的10位數(shù)字量,，最后SPCE061A單片機(jī)將10位數(shù)字量左移6位寫入P_DAC1單元的高10位,，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的3525芯片2腳給定電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源的步進(jìn)調(diào)整,。采樣電壓經(jīng)A./D轉(zhuǎn)換后送LCD顯示,，顯示精度可達(dá)0.01V。經(jīng)多次測試,，本電源輸出電壓可以0V～40V連續(xù)調(diào)整,，歩進(jìn)值0.1V,， 最大輸出電流可達(dá)I0MAX=2.5A，電壓調(diào)整率Su=0.1%,，負(fù)載調(diào)整率SI=0.2%,，效率η=90%，試驗(yàn)結(jié)果表明本數(shù)控電源方案切實(shí)可行,。