陳菁+張萬
摘 要: 針對目前使用的開關電源幾乎都采用旋鈕開關調節(jié)電壓,調節(jié)精度不高,而且經常跳變,使用麻煩的缺點,設計一種基于STC12C5A60S2單片機的可變輸出電壓的電源,使其功能更加完善并提高智能化程度。它產生兩路47 kHz的PWM脈沖信號,分別經過MOS驅動IC IR2104控制兩個BUCK電路。單片機內部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實時反饋兩路的電流和電壓數值,并由此調整輸出的PWM的占空比,形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。設計按鍵能設置輸出電壓的大小、液晶屏顯示實時輸出電壓與電流。測定顯示在額定電流1 A輸出的情況下,滿載的供電效率為82%,輸出電壓誤差小于0.15 V。
關鍵詞: 開關電源; BUCK; STC單片機; IR2104; 可調輸出; 精確控制
中圖分類號: TN911?34; TN958 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2018)02?0091?04
Abstract: As the rotary switch is mostly used in the current switching power supply to regulate the voltage, which has low regulation precision, frequency hops and troublesome operation, a variable output voltage power supply based on the STC12C5A60S2 microcontroller was designed to further enhance its function and improve its intelligence level. The power supply produces two 47 KHz PWM pulse signals which control two BUCK circuits respectively by making MOS drive IC IR2104. The MCU with built?in 10?bit ADC can feed back the current and voltage values of the two signals in real time by voltage and current detection, and regulate the output duty cycle of PWM to form a voltage closed?loop control system. The button can be designed to set the output voltage value, and the LCD screen can display the real?time output voltage and current values. The test shows that the full?loaded power efficiency is 82% and the error of output voltage is less than 0.15 V under the condition of 1 A output rated power.
Keywords: switching power supply; BUCK; STC microcontroller; IR2104; adjustable output; precision control
0 引 言
20世紀50年代初,美國宇航局為了搭載火箭,開關電源應運而生,從此開關電源以小型化、輕巧化為創(chuàng)造目標。在發(fā)展了半個多世紀后,開關電源技術越來越成熟,更因具備了體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、發(fā)熱低、轉換效率高等優(yōu)點,慢慢地取代了傳統(tǒng)電源技術下所制造的不間斷工作電源,在電子設備等各領域具有廣泛的應用[1?2]。然而,在電力電子器件方面,目前使用的幾乎都為旋鈕開關調節(jié)電壓,調節(jié)精度不高,而且經常跳變,造成使用上的麻煩。目前國內外學者研究的開關電源普遍存在的問題有:多數使用模擬IC控制,控制式樣不夠智能化;不能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況;多數開關電源為固定輸出;可調的開關電源只能手動通過電位器模擬調整,不能直接得到準確的預設電壓[3?4]。
本文采用51單片機和斬波外圍電路設計出一種可調穩(wěn)壓電源,并且通過控制PWM調試不同的占空比來實現輸出電源的調制。采用單片機來控制開關電源,可使其功能更加完善并提高智能化程度,可以通過監(jiān)測相關信息的反饋分析得到實時數據,對運行中的開關電源進行檢測、分析反饋信息并顯示電源狀態(tài);設置相關按鍵進行輸出電壓的精確控制;還能自動監(jiān)測電源功率,對電源進行過壓、過流保護,提高設備的安全性,進行實時控制等。
1 系統(tǒng)論述及整體結構
直流?直流(DC?DC)變換是將固有的直流電壓轉換成可調整的電壓,又叫作直流斬波。它有多種拓撲結構,本系統(tǒng)應用的是BUCK型直流/直流變換,其特征是輸出的電壓比輸入電壓低。當MOS管或者三級管導通很長時間后,所有的元器件均處在一種理想狀態(tài)的情況下,此時電容的電壓會等于輸入的電壓。
筆者設計的開關電源由STC單片機、BUCK主回路、降壓穩(wěn)壓電路、按鍵電路、液晶電路、電壓檢測電路、電流檢測電路等組成。系統(tǒng)總體設計構架圖如圖1所示。
1.1 單片機
STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的單片機,其是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換,針對電機控制,強干擾場合[5]。endprint
1.2 IR2104半橋驅動電路
IR2104是一種高性能的半橋驅動芯片,該芯片內部是采用被動式泵荷升壓原理。上電時,電源流過快恢復二極管D向電容C充電。C上的端電壓很快升至接近VCC,這時假如下管導通,C負極被拉低,形成充電回路,會很快充電至接近VCC。當PWM波形翻轉時,芯片輸出反向電平,下管截止,上管導通,C負極電位被抬高到接近電源電壓,水漲船高,C正極電位這時已超過VCC電源電壓。因有D的存在,該電壓不會向電源倒流,C此時開始向芯片里面的高壓側懸浮驅動電路供電,C上的端電壓被充至高于電源高壓的VCC,只要上下管一直輪流導通和截止,C就會不斷向高壓側懸浮驅動電路供電,上管打開的時刻,高壓側懸浮驅動電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設計難度,只要電容C選擇恰當,該電路就會穩(wěn)定運行[6?7]。
1.3 電路供電電源的選擇
線性降壓芯片7805。這個穩(wěn)壓IC需要的外圍元件很少,IC內部還有過流、過熱及調整管的保護措施,不但價廉而且輸出電壓很穩(wěn)定[6]。
1.4 電流檢測電路
要完成對輸出電壓和電流的閉環(huán)控制,務必對輸出電流經過運放放大后進行采樣反饋。為了板子器件的安全,設定保護電流為1 A,即電流超過1 A,系統(tǒng)進入保護狀態(tài)。本設計采用電阻分壓的式樣對輸出的電壓進行實時檢測。因為采樣電壓直接輸送給單片機10位ADC進行檢測,單片機供電電源為5 V,所以其內部自帶的檢測的最高電壓也為5 V。這個電路中,單片機由5 V電壓供電,最大輸出電壓和供電電源電壓之前有1.2 V壓差,所以能輸出最大電壓為3.8 V。1 A電流經過0.020 Ω電阻得到的電壓為0.020 V,該電壓要經過放大后才能更容易被單片機檢測到,在這個應用中運放的放大倍數,這里選擇R22和R20為33 kΩ和1 kΩ,放大倍數為符合設計要求。即當電流為1 A時,運放輸出電壓為。
1.5 電壓檢測電路
輸入電壓為40 V,而單片機的采樣電壓最高為5 V,故電壓采樣電阻比例應該小于,這里取R1和R5分別為47 kΩ 和4.7 kΩ,,滿足條件。當12 V輸入時,單片機檢測到的電壓
1.6 按鍵電路
目前,單按鍵這種模式的鍵盤使用方便,響應快并且接口還簡潔。綜合以上,本系統(tǒng)采用非編碼式鍵盤。本系統(tǒng)設計應用了4個按鍵,按照按鍵來定義它的功能,鍵盤與單片機的P2.3,P2.2,P2.1,P2.0鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令的接口設備。
1.7 液晶顯示模塊
該系統(tǒng)采用1602液晶顯示。該液晶驅動電流較小,能顯示較大信息量,如輸入/輸出的實時電壓、輸出的實時電流、預設的輸出電壓等,無需增外設電路。
總之,本開關電源采用STC12C5A60S2單片機產生的兩路47 kHz的PWM脈沖信號,分別經過MOS驅動IC IR2104控制兩個BUCK電路。單片機內部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實時反饋兩路的電流和電壓數值,并由此調整輸出的PWM的占空比,形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。制作實物如圖2所示。
2 設計實物的測試實驗
做出電源的實物后,對電源的一系列參數進行測試。實驗儀器有:兆信60/5 A數顯線性電源;4個深圳勝利VC980+數字萬用表,負載為100 W的50 Ω環(huán)形滑動變阻器,單片機輸出的載波頻率為40 kHz或47 kHz,Siglent雙通道200 MHz示波器[8?9]。
2.1 電壓調整率測試
輸出/輸入電壓測試結果如表1所示(測試條件為輸出電壓20 V,輸出電流1.00 A)。
2.2 負載調整率測試[10]
把示波器的其中一個探針接到單片機的PWM輸出口,地接到另外一個端口,得到的測試波形如圖3所示, 把探針放在上下MOS管腳G極的驅動波形如圖4所示,測試數據如表2所示。
負載調整率:
2.3 額定功率下的供電效率測試[11]
供電效率測試數據如表3所示。
由以上數據得到,輸出噪聲紋波電壓峰?峰值的測試,示波器顯示測試輸出電壓為,該電源的電壓調整率為0.70%,負載調整率為0.21%,滿載輸出情況下,供電效率為82%。當輸出電流大于2 A時,保護電路啟動,輸出電壓為0,輸出紋波峰峰值為290 mV。
3 總 結
經過研究國內外關于開關電源的方式,本開關電源設計采用STC12C5A60S2單片機產生的兩路47 kHz的PWM脈沖信號,分別經過MOS驅動IC IR2104控制兩個BUCK電路。單片機內部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實時反饋兩路的電流和電壓數值,并由此調整輸出的PWM的占空比,形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設置輸出電壓從0~30 V的限度,液晶能顯示實時輸出電壓與電流。在額定電流1 A輸出的情況下,滿載的供電效率為82%。按鍵設置的輸出電壓的誤差小于0.1 V。本設計實現了以下功能并具有良好的運行效果:使開關電源硬件更加智能化,直接用單片機控制;能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況,實時監(jiān)測電源的運作;能經過按鍵數字化地設置預設輸出電壓,得到精確的設定電壓。
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