基于單片機的DC-DC升壓隔離電路設(shè)計

姜文波

（北華大學(xué)科技園管委會，吉林 吉林 132013）

0 引 言

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種能夠有效地將直流電轉(zhuǎn)換成高頻直流電的混合電源裝置，主要使用高頻功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。高頻直流電壓可以通過電力交換裝置轉(zhuǎn)換為低頻交換電壓，并且入口和出口完全絕緣。本系列產(chǎn)品主要適用于航空、航天、通信、雷達(dá)以及其他分布式電力系統(tǒng)領(lǐng)域[1-3]。

20世紀(jì)90年代，由于在功率范圍內(nèi)的低損耗，DC-DC系列轉(zhuǎn)換器數(shù)量的增加速度大幅提高。其中，6～25 W的DC-DC變換器被廣泛使用在檢查電子測量儀器和設(shè)備、數(shù)字顯示裝置的電腦中。市場需求和遙感系列251～750 W的DC-DC轉(zhuǎn)換器增長率也相對較快，主要是因為適合應(yīng)用在工業(yè)工程、數(shù)字通信電子設(shè)備、通信設(shè)備以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸多媒體數(shù)字頻道中。DC-DC系列轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在電子工業(yè)遙感和數(shù)字遠(yuǎn)程通信技術(shù)中具有巨大的市場應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 DC-DC變換器

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種電力轉(zhuǎn)換裝置，在正常工作中，主要功能是將電路中傳輸?shù)乃兄绷麟娫崔D(zhuǎn)換成另一個直流電壓。電源主要提供從直流輸入到直流輸出的變換，控制電路主要提供電源轉(zhuǎn)換所需的各種控制信號，包括直流信號處理、反饋回路、交換電路以及模擬電路[4-6]。

DC-DC變換器主電路原理如圖1所示，由輸入電源U、升壓電感L、全橋逆變電路Q1～Q4、隔離升壓變壓器T（升壓比為n）、全橋整流電路D1～D4、輸出濾波電容C以及負(fù)載R組成。iL為電感電流（輸入電流），U0為輸出電壓（負(fù)載電壓），i0為輸出電流[7]。

圖1 DC-DC變換器主電路原理圖

2 控制電路的設(shè)計

根據(jù)DC-DC變換器主電路原理，設(shè)計控制電路包括數(shù)據(jù)采集電路模塊、保護電路模塊、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊、單片機主控制模塊以及人機界面電路模塊，總框架如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計總框架

2.1 控制芯片的選擇

89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括中央處理器、程序內(nèi)存、數(shù)據(jù)內(nèi)存、計時器、計數(shù)器以及其他主要模塊，它還包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線3個主線，本設(shè)計使用了AT89C51微控制器[8]。

2.2 單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

本文采用AT89C51單片機對DC-DC變換器進(jìn)行程序控制，可檢測DC-DC變換器輸入、輸出等運行狀態(tài)參數(shù)，并控制變換器輸出期望電壓電流等參數(shù)運行。設(shè)計單片機最小系統(tǒng)，包括晶體振蕩器電路和復(fù)位電路等，即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集電路，人機界面的控制。復(fù)位電路和晶振電路分別如圖3和圖4所示。

圖3 復(fù)位電路

圖4 晶振電路

2.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊的集成電路采用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，其主要功能之一就是可以幫助單片機實時收集DC-DC轉(zhuǎn)換電路中的電壓值，然后與參考值進(jìn)行比較。單片機電路執(zhí)行輸入給定參數(shù)計算，輸出信號PWM計算控制電路信號到DC-DC中并轉(zhuǎn)換控制電路[10]。

2.4 人機界面電路的設(shè)計

人機交互的模塊雖然并非是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，但卻是整個系統(tǒng)中不可或缺的一部分。用戶在操作時可方便地直接輸入控制參數(shù)，并以簡單的數(shù)字形式實時顯示控制信號，完成了人機交互。本模塊對精度要求不高，只需通過使用74LS373芯片對8位LED數(shù)字信號管進(jìn)行靜態(tài)顯示。

2.5 保護電路的設(shè)計

為了增加開關(guān)電路板的安全性，保證開關(guān)電路板在正常及異常狀態(tài)下工作，控制電路中包含保護電路。保護電路分為自我保護和負(fù)載保護，一旦發(fā)生故障，開關(guān)電路立即停止工作，發(fā)出警報。

2.6 PWM調(diào)制

由于51系列單片機沒有PWM的輸出功能，因此需要通過一定的硬件電路，采用定時器配合軟件的方法進(jìn)行PWM調(diào)制波的輸出。具體實現(xiàn)過程為通過電位器改變PWM占空比，將0～5 V的模擬電壓信號輸入到ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到AT89C51，將PWM程序經(jīng)過串口芯片下載到單片機，運行后再輸出相應(yīng)PWM調(diào)制信號。

3 電路的仿真

結(jié)合本文DC-DC升壓隔離電路控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，要求變換器輸入電壓為12～15 V，輸出電壓為35～45 V。為保證合適的紋波電壓，輸出電容選擇650 μF的電解電容，同時根據(jù)帶載能力與紋波電壓的影響，選擇400 μH左右的電感。利用Proteus仿真軟件繪制布線如圖5所示，結(jié)果如圖6所示。

圖5 Proteus布線圖

圖6 電路輸出仿真波形

從如圖6的Proteus仿真示波器結(jié)果可以看出，示波器中Channel A通道為系統(tǒng)輸入電壓值，即DC-DC變換器輸入為直流14 V，經(jīng)過DC-DC升壓隔離電路之后的輸出為直流40 V（Channel B通道，由此可以驗證該電路是可行的，并且輸出電壓的振幅可以增加到所需的數(shù)值。

4 結(jié) 論

本課題結(jié)合了DC-DC變換器目前發(fā)展?fàn)顩r和存在的問題，設(shè)計了一種單片機控制的DC-DC變換器。系統(tǒng)具有算法簡單、易于實施、價格低廉、運行穩(wěn)定以及易于推廣的優(yōu)點。本文采用AT89C51單片機和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)化器，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、輸出量的控制、電路原理圖的繪制和硬件電路圖的設(shè)計，最后完成軟件的編程及其硬件功能的調(diào)試。實驗結(jié)果顯示，電壓振幅可以增加到所需的振幅，證明了本文所設(shè)計的大功率DC-DC升壓隔離變換電路的有效性和可靠性，具有一定的理論價值和使用價值。