基于MCU控制的開關(guān)電源穩(wěn)壓電路設(shè)計

李淑紅++邢軍

摘 要： 設(shè)計了一款基于MCU控制的開關(guān)電源穩(wěn)壓電路，該系統(tǒng)主要由整流濾波電路、推挽式功率變換電路和控制電路組成，并通過MCU調(diào)節(jié)PWM控制開關(guān)電源輸出電壓。MCU輸出的數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換為模擬信號，該模擬信號作為開關(guān)控制芯片SG3525第二管腳的基準(zhǔn)電壓，SG3525根據(jù)基準(zhǔn)電壓的變化自動產(chǎn)生PWM控制脈沖，調(diào)節(jié)開關(guān)管的輸出脈寬，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。實驗表明，輸出電壓可調(diào)范圍為28～36 V，最大輸出電流Imax=15 A，開關(guān)電源的效率為η=89%。

關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源； MCU； SG3525； 穩(wěn)壓電路

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0139?03

傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源通常以模擬脈寬調(diào)制芯片為核心控制開關(guān)電路、整流電路等完成穩(wěn)定電壓輸出。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)、數(shù)字信號處理器等數(shù)字芯片也逐漸參與到開關(guān)電源的設(shè)計當(dāng)中，帶來了可編程性、高集成度、高擴(kuò)展性等優(yōu)點。本文設(shè)計了一種基于AT89S51單片機(jī)芯片的智能開關(guān)穩(wěn)壓電源，該電源以微控制器（MCU）為核心，利用單片機(jī)AT89S51與SG3525專用控制芯片相配合，實現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。充分發(fā)揮了數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，該電源具有高輸出精度、高效率、自動調(diào)壓、性能可靠等特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

其系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

本設(shè)計選用推挽式功率變換器[1]，該功率變換器主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成，其工作原理是利用開關(guān)管的交替導(dǎo)通和截止使高頻變壓器原邊產(chǎn)生交變電流，以電磁耦合的方式將能量傳遞給高頻變壓器副邊，用以驅(qū)動直流負(fù)載。

AC輸入220 V（經(jīng)過整流濾波之后大約是DC 20～29 V），輸出20～36 V，這是一個DC?DC升壓過程。

如圖2所示為推挽式開關(guān)電源的典型電路。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，兩個開關(guān)管在脈寬調(diào)制集成控制器SG3525的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器T次級繞組得到升壓的方波脈沖，經(jīng)整流濾波后變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。這種電路結(jié)構(gòu)的特點是：對稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器的原邊是兩個對稱線圈，兩只開關(guān)管對稱且輪流通斷。

2 電路設(shè)計

設(shè)計思路：利用AT89S51單片機(jī)擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器，不斷檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與基準(zhǔn)電壓值之差，由單片機(jī)控制PWM芯片調(diào)整D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，間接控制電源的工作。這種方式中單片機(jī)已加入到電源的反饋環(huán)中，代替原來的比較放大環(huán)節(jié)。該開關(guān)電源以AT89S51單片機(jī)為控制芯片，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)控制開關(guān)電源輸出電壓的步進(jìn)，步進(jìn)增減為1 V。單片機(jī)輸出的數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換為模擬信號，該模擬信號作為開關(guān)控制芯片SG3525第二管腳的基準(zhǔn)電壓，SG3525根據(jù)基準(zhǔn)電壓的變化自動產(chǎn)生PWM控制脈沖，調(diào)節(jié)開關(guān)管的輸出脈寬，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的[2]。實現(xiàn)了開關(guān)電源的可靠工作。如圖3所示為控制部分電路連接圖。

由于本設(shè)計采用AT89S51單片機(jī)，它本身不帶D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出信號為數(shù)字信號，而PWM芯片SG3525采用模擬信號控制，故需要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，再把模擬信號與SG3525的第二引腳即同相輸入端相連給SG3525提供基準(zhǔn)電源。本設(shè)計采用P0口為8位數(shù)據(jù)傳輸口，單片機(jī)的振蕩電路采用內(nèi)部時鐘電路：利用AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部一個高增益的反相放大器，把一個晶振和兩個電容器組成自激振蕩電路，接于XTAL1和XTAL2之間。這樣振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路，該系統(tǒng)中晶振選用石英晶體，振蕩頻率為12 MHz，電容器為33 pF電容，XTAL1，XTAL2為單片機(jī)提供頻率為12 MHz的頻率，RST是系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)復(fù)位后使單片機(jī)開始工作。由于輸出單極性模擬電壓為-5 V，參考基準(zhǔn)點電壓為+5 V，還需要加一個運算放大器LM741，R13和R14都取10 kΩ，其電路圖如圖3所示。

[Uo=-IR1=-R14R13×U1=5 V]

控制芯片SG3525的應(yīng)用電路如圖4所示，電源控制芯片SG3525的第11，14腳交替輸出觸發(fā)脈沖，控制VT1，VT2交替導(dǎo)通，實現(xiàn)電源的工作。

此過程將前端的直流信號轉(zhuǎn)變成交流信號，再經(jīng)過輸出整流和濾波電容將交流轉(zhuǎn)變成直流[3]，完成整個變換過程。

輸出電壓的可調(diào)整與穩(wěn)壓控制：開關(guān)電源是借助晶體管的開/關(guān)來實現(xiàn)能量交換的，其輸出控制由晶體管的導(dǎo)通時間決定，本文采用PWM控制晶體管導(dǎo)通的占空比。單片機(jī)輸出的數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換為模擬信號，該模擬信號作為開關(guān)控制芯片SG3525第二管腳的基準(zhǔn)電壓，SG3525根據(jù)基準(zhǔn)電壓的變化自動產(chǎn)生PWM控制脈沖，調(diào)節(jié)開關(guān)管的輸出脈寬。要提高輸出電壓，只需調(diào)寬控制脈沖有效電平的寬度即可。同理，其穩(wěn)壓過程也是基于此原理。

3 軟件程序的設(shè)計

軟件流程圖如圖5所示。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部具有2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器?？梢造`活地配置給各模塊使用以及工作于低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率；SG3525 作為單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。使得整個電路不需要任何擴(kuò)展就能完成對電源輸出電壓的實時采集、PWM輸出。

本設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)極為簡單。軟件采用C語言編寫，整個程序包括的子模塊有：按鍵消抖模塊、A/D電壓采集模塊和PWM波控制模塊等幾個部分。

開機(jī)時單片機(jī)初始化，兩數(shù)碼管均顯示0，負(fù)載上沒有電壓，當(dāng)按下鍵盤上任一鍵，就使單片機(jī)的程序進(jìn)入外部中斷1，在此中斷服務(wù)程序中，先延時消除按鍵的抖動，再判斷是否有鍵按下，無鍵按下就返回主程序，有鍵按下了，根據(jù)按下鍵的鍵號來產(chǎn)生相應(yīng)的操作，執(zhí)行完后返回主程序。按K1鍵來判斷要調(diào)整的數(shù)位，每按一次，數(shù)碼管顯示00和01不斷的交替，00表示要調(diào)整的是十位，01表示要調(diào)整的是個位。按K2鍵，使相應(yīng)的數(shù)位加1，按K3鍵，使相應(yīng)的數(shù)位減1，兩數(shù)碼管分別顯示電壓的調(diào)節(jié)的過程，用寄存器R3保存十位數(shù)值，用寄存器R5保存?zhèn)€位數(shù)值。通過按K2和K3調(diào)出一個數(shù)據(jù)，當(dāng)按下K4時，將R3和R5兩個寄存器中的數(shù)組成一個十進(jìn)數(shù)送DAC0832，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。在程序中用寄存器R3和R5存數(shù)，有利于十進(jìn)制數(shù)的兩位分別調(diào)試和組合[5]。程序中用到外部中斷0和外部中斷1，外部中斷0用來在數(shù)控電源的輸出電流過大時，起保護(hù)作用。關(guān)閉D/A轉(zhuǎn)換。由于過流保護(hù)作用的重要性，它的中斷優(yōu)先等級設(shè)為高級。外中斷1用在4個按鍵的操作上，分別是數(shù)位選擇鍵K1，增加鍵K2，減少鍵K3和D/A轉(zhuǎn)換鍵K4[5]。

按鍵消抖模塊：當(dāng)檢測到按鍵狀態(tài)變化后，先等待10 ms 左右的延時時間，讓抖動消失后再進(jìn)行1次按鍵狀態(tài)檢測，如果與剛才檢測到的狀態(tài)相同，就可以確認(rèn)按鍵已經(jīng)穩(wěn)定的動作。通過AT89S51實現(xiàn)負(fù)載電壓的設(shè)定與顯示。A/D電壓采集模塊：通過DAC0832的8位A/D轉(zhuǎn)換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值進(jìn)行采集。

PWM波控制模塊：利用AT89S51單片機(jī)的RAM定時計數(shù)器的比較功能，產(chǎn)生驅(qū)動MOSFET的信號，對系統(tǒng)輸出電壓進(jìn)行控制，使輸出電壓穩(wěn)定。

4 實驗結(jié)果

本文設(shè)計了基于AT89S51控制的一種開關(guān)電源。該電路可以將交流電變換成直流電，通過SG3525芯片的控制實現(xiàn)自動穩(wěn)壓的功能，得到幅度穩(wěn)定、波形優(yōu)良、頻率穩(wěn)定的電壓。采用脈寬調(diào)制（PWM）方式。為了降低電磁干擾，開關(guān)頻率設(shè)計為53 kHz。在設(shè)計中控制芯片采用SG3525、驅(qū)動電路采用脈沖變壓器隔離的推挽功率放大電路，實驗得到波形如圖6所示。輸出電壓Uo為2～36 V可調(diào)，最大輸出電流Imax=1.8 A。DC?DC轉(zhuǎn)換器的效率η=89%。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源相比，該電源使負(fù)載的發(fā)光效率提高，電源設(shè)備的功耗大大降低。而且輸出電源電壓波形優(yōu)良，頻率穩(wěn)定，控制方便，開關(guān)電源帶負(fù)載能力比傳統(tǒng)的方法在可靠性和效率方面都有所提高。

參考文獻(xiàn)

[1] HU A P， BOYS J T， COVIC G A. Frequency analysis and computation of a current?fed resonant converter for ICPT power supplies [C]// Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Power System Technology. [S.l.]： IEEE， 2000： 327?332.

[2] 周成虎，甕嘉民，張昆.一種無接觸供電的無線鼠標(biāo)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（9）：42?44.

[3] 高金峰，周成虎.基于單級電子鎮(zhèn)流器的新型觸發(fā)電路[J].鄭州大學(xué)學(xué)報，2007，28（3）：83?85.

[4] 高曉玲，李濤，何振中.基于MC34262的有源功率校正電路設(shè)計與仿真[J].煤炭技術(shù)，2011，30（12）：25?27.

[5] 安學(xué)君，舒新建.電力電子技術(shù)在現(xiàn)代化煤礦企業(yè)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2012，31（1）：46?47.

[6] 王忠誠，孫唯真.基于LD7552B的綠色開關(guān)電源設(shè)計與分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（12）：141?144.