CN101237184A - 输出可调型开关电源的采样反馈控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电气控制技术领域的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路及控制方法，控制电路包括：前端电压检测模块、后端电压输出模块、MCU微控制器模块、用户输入模块以及显示模块，前端电压检测模块接收开关电源的输出电压，MCU微控制器模块对前端电压检测模块中的开关电源输出电压进行多次采样并计算平均值，并将平均值与用户设定的期望值的进行比较，并根据比较结果向后端电压输出模块输出控制信号控制其输出电压；后端电压输出模块的输出电压作为开关电源的脉宽调制电路的输入控制电压；显示模块显示开关电源输出电压采样值。采用本发明的开关电源输出电压稳定，所含噪声纹波小，输出电压调节范围大，使用方便。

Description

输出可调型开关电源的采样反馈控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电气控制技术领域的控制电路及控制方法，具体是一种输出可调型开关电源的采样反馈控制电路及其控制方法。

背景技术

开关电源是一种基于脉宽调制(PWM)输出的电源，一般由脉宽调制电路、采样反馈控制电路、开关变压器以及后级低通滤波电路构成。脉宽调制电路通过输出具有一定占空比的脉冲信号控制开关变压器的输出，进而控制后级低通滤波电路的输出，即开关电源电压输出Vout。脉冲信号的占空比越大则Vout越高，反之亦然。同时，脉宽调制电路的输出又受到采样反馈控制电路输出信号Vc的控制，当开关电源电压输出Vout升高时，采样反馈控制电路的输出Vc也相应升高，这控制脉宽调制电路输出脉冲信号占空比的减小，进而导致开关电源电压输出的降低，该过程形成一种负反馈，进而使开关电源获得稳定的电压输出。

开关电源以其效率高、输出稳定的特点得到了广泛的应用。根据输出类型可以分为输出固定型和输出可调型两种类型。两者的区别主要体现在其采样反馈控制电路上，前者的采样反馈电路固定，由厂家根据输出电压要求(如3V、5V等)预先设定，而后者则可由使用者进行调节以获得期望输出，具有较好的灵活性。采样反馈控制电路的设计往往很大程度上决定了输出可调型开关电源的输出质量，如纹波大小、电压输出范围等，因此设计一个好的采样反馈电路具有重要意义。

经对现有技术文献检索发现，中国专利公开号CN101068094A，专利名称为“一种开关电源输出电压的调节方法及实现电路”，提出了一种基于微控制器的采样反馈控制方法及实现电路，该解决方案具有设计简单、使用方便的特点，较好的解决了输出可调型开关电源的电压调节问题。但其不足之处也是显而易见的：1)作为调节采样值的微控制器并未加入反馈环路，即采样值的调节是个静态过程，这使得输出易受环境、负载大小等因素的影响，输出稳定性不高，这种调节方法本质上跟改变后级比较器基准电压或参考电压的调节方法没有差异；2)这种通过控制D/A向采样点灌吸电流的方式进行调节的方法由于分压及输出负反馈等因素的影响导致对采样值的调节能力较弱，这使得输出调节范围较窄；3)未提供预设输出模式，用户若要得到所需的输出值，必须在调节过程中借助测量仪器如万用表测量输出，不方便使用。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种输出可调型开关电源的采样反馈控制电路及其控制方法，使其基于可编程的微控制器，使得采用本发明的开关电源提供了在输出范围内从小到大均匀分布的多个输出电压级供用户选择，相邻电压级之间相差值为开关电源输出电压的步进值。在本发明的采样反馈控制电路中，通过将微控制器加入反馈环路，使其通过前端电压检测模块不断采样开关电源输出电压，然后根据多次采样的均值与用户设定的期望值的比较结果对输出电压进行动态的调整，从而使开关电源得到高质量的稳定的输出电压，同时通过显示模块可以实时显示开关电源系统信息，如采样到的实际输出电压等，方便用户使用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明所涉及的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，包括：前端电压检测模块、后端电压输出模块、MCU(微控制器)微控制器模块、用户输入模块以及显示模块，其中：前端电压检测模块接收开关电源的输出电压并传输给MCU微控制器模块；用户输入模块将用户输入的对开关电源输出电压的期望值传输给MCU微控制器模块；MCU微控制器模块根据用户输入完成对期望值的设定，MCU微控制器模块对前端电压检测模块中的开关电源输出电压进行多次采样，并将采样值传输给显示模块，同时计算多次采样值的平均值，MCU微控制器模块将平均值与期望值的进行比较，并根据比较结果向后端电压输出模块输出控制信号控制其输出电压；后端电压输出模块的输出电压作为开关电源的脉宽调制电路的输入控制电压；显示模块接收MCU微控制器模块的信息，显示开关电源输出电压的采样值。

所述前端电压检测模块，包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2以及A/D(模数转换器)，其中：第一分压电阻的一端和第二分压电阻的一端并接，并与A/D的输入端相连，A/D的输入端为A/D的采样点；第一分压电阻的另一端接开关电源的输出电压Vout，第二分压电阻的另一端接地，A/D的输出为该模块输出，与MCU微控制器模块通过数据总线相连；

所述后端电压输出模块，为D/A(数模转换器)或RC低通滤波网络(一种由电阻R和电容C构成的低通滤波网络)，若后端电压输出模块为D/A，D/A与MCU微控制器模块通过数据总线相连，作为MCU微控制器模块的外设，D/A输出即为后端电压输出模块的输出；若后端电压输出模块为RC低通滤波网络，与MCU微控制器的具有驱动能力的输出管脚相连，RC低通滤波网络虑除高频信号后得到的直流信号即为后端电压输出模块的输出。

所述MCU微控制器模块为可编程的MCU微控制器。

所述用户输入模块由若干自带上拉或下拉电阻的按键开关构成，各按键开关分别与MCU微控制器的输入管脚相连，当按键处于按下和松开两种状态时，输入管脚上呈现高低电平信号。

所述显示模块为七段数码显示管阵列或小型液晶显示屏。

本发明所涉及的输出可调型开关电源的采样反馈控制方法，本发明首先由MCU微控制器模块通过前端电压检测模块采样开关电源的输出电压Vout，并计算多次采样值的平均值，然后根据平均值与用户设定的期望值的比较结果对后端电压输出模块的输出电压Vc进行调整，进而调整开关电源的输出电压Vout，使其向期望值靠拢。

所述用户设定的期望值，由MCU微控制器模块接收用户输入模块的输入，并根据用户的输入完成对开关电源输出电压的期望值的设定。

所述计算多次采样值的平均值，具体为：每次采样之后将采样值进行累加，然后判断已累加的采样值的个数，若已达到设定的个数则求取采样值的平均值；若尚未达到设定的个数，则继续采样直到达到设定的个数。

所述根据平均值与期望值的比较结果对后端电压输出模块的输出电压Vc进行调整，具体为：当平均值大于期望值时，说明开关电源的输出电压偏大，需要减小，则通过控制后端电压输出模块增大其输出电压Vc；当平均值小于期望值时，说明开关电源的输出电压偏小，需要增大，则通过控制后端电压输出模块减小其输出电压Vc；当平均值等于期望值时，不做调整。

与现有技术相比，采用本发明的开关电源具有如下优点：

(1)输出电压稳定，所含噪声纹波小。与现有技术不同，本发明将微控制器加入反馈环路，且对输出的调整是基于输出采样值与设定的期望值比较的结果，通过这种动态的调整，可以保证实际输出值最终等于或接近与期望值，不受外界环境以及负载大小的影响，获得稳定的输出。另外由于是使用采样平均值而非采样值与期望值进行比较，就抑制了因采样值噪声引起动态调整进而导致的输出噪声，使得输出具有较小的纹波噪声，当使用采样平均值进行比较时，纹波噪声小于100mv，而当直接使用采样值进行比较时，纹波噪声小于200mv；

(2)输出电压调节范围大。开关电源脉宽调制电路的输入控制电压由微控制器控制其后端输出电压输出模块生成，而非引自开关电源的输出电压，因此大小可以从0到最大工作电压，对应着脉宽调制电路的输出脉冲信号可以从占满到空满变化，这就使得开关电源的输出电压有最大的调节范围；

(3)使用方便。微控制器内部为开关电源预设了多种输出电压级，用户只需通过按键选择所需的电压级，而无需每次调整都使用万用表来测量输出，易于使用；另外微控制器还通过显示模块显示系统信息，如实时的输出电压值，方便用户实时掌握系统工作状况。

附图说明

图1为适用本发明电路的开关电源的原理结构图；

图2为本发明电路的原理结构图；

图3为本发明的实施例的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为开关电源的原理结构图，开关电源电路包括采样反馈控制电路、低通滤波电路、脉宽调制电路、开关变压器电路，其中的采样反馈控制电路部分即为本实施例电路。由图可见，采样反馈控制电路的输入为低通滤波电路的输出，即开关电源的输出电压Vout，采样反馈控制电路的输出为脉宽调制电路的输入控制电压Vc，脉宽调制电路的输出脉冲信号为开关变压器电路的输入控制信号，开关变压器电路的输出脉冲电压为低通滤波电路的输入，经低通滤波电路滤波后成为低通滤波电路的直流输出电压，即开关电源的输出电压Vout。

如图2所示，本实施例所涉及的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，包括：前端电压检测模块、后端电压输出模块、MCU微控制器模块、用户输入模块以及显示模块，其中：前端电压检测模块接收开关电源的输出电压Vout，并传输给MCU微控制器模块；用户输入模块将用户输入的对开关电源输出电压的期望值传输给MCU微控制器模块；MCU微控制器模块根据用户输入完成对期望值的设定，MCU微控制器模块对前端电压检测模块中的开关电源输出电压进行多次采样，并将采样值传输给显示模块，同时计算多次采样值的平均值，MCU微控制器模块将平均值与期望值的进行比较，并根据比较结果向后端电压输出模块输出控制信号控制其输出电压；后端电压输出模块的输出电压作为开关电源的脉宽调制电路的输入控制电压Vc；显示模块接收MCU微控制器模块的信息，显示开关电源输出电压的采样值。

如图3所示，所述MCU微控制器模块为C51系列单片机。

所述前端电压检测模块，包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2以及数模转换器A/D，其中：第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的连接点P0与A/D相连，即为A/D的采样点；第一分压电阻R1的另一端接开关电源的输出电压Vout，第二分压电阻R2的另一端接地，A/D的输出为该模块输出，与C51系列单片机的I/O管脚通过数据总线相连。

所述后端电压输出模块，为RC低通滤波网络，包括：第一电阻R3、第二电阻R4、第一电容C1、第二电容C2，其中：第一电容C1一端接地，另一端与第一电阻R3、第二电阻R4的连接点相连，第二电容C2一端接地，另一端与第二电阻R4相连，第一电阻R3一端与第二电阻R4和第一电容C1相连，另一端与C51系列单片机具有驱动能力的输出管脚相连，第二电阻R4一端与第一电阻R3和第一电容C1相连，另一端与第二电容C2相连，第二电阻R4与第二电容C2的连接点为该模块直流电压输出Vc。

所述用户输入模块由第一上拉电阻R5、第二上拉电阻R6以及第一按键开关K1、第二按键开关K2构成，第一按键开关K1、第二按键开关K2均一端接地，另一端分别与第一上拉电阻R5、第二上拉电阻R6相连，第一按键开关K1和第一上拉电阻R5以及第二按键开关K2与第二上拉电阻R6的两个连接点为该模块的输出，连接至单片机的输入管脚，第一上拉电阻R5和第二上拉电阻R6的另一端接单片机工作电压Vd。

所述显示模块由四个七段数码显示管以及相应的数码管控制芯片构成，七段数码显示管分别与数码管控制芯片相连，数码管控制芯片与单片机通过数据总线相连。

本实施例涉及的输出可调型开关电源的采样反馈的控制方法，包括如下步骤：

第一步，对系统进行初始化，包括设置C51系列单片机的定时器寄存器、中断寄存器等内部寄存器，声明一个数组stdSamples，并设定各数组元素为开关电源各输出电压级对应的理论A/D采样值，声明一个数组stdCounterH，并设定各数组元素为各输出电压级对应的单片机输出至RC低通滤波网络的脉冲信号高电平持续时间，声明一个用来累加采样值的变量sum，并赋初值为0，设定用户期望输出值为默认的最低输出电压级。

第二步，C51系列单片机读取前端电压检测模块的模数转换器A/D的采样值，并累加至变量sum；

第三步，判断已有采样值的个数，若未达到设定的个数500，则跳转至第九步，若达到设定的个数，则继续下一步；

第四步，计算已有500个采样值的平均值X＝sum/500；

第五步，将平均值X与用户设定的期望值(对应于stdSample数组中的某一个元素)进行比较，当平均值等于期望值时，说明开关电源输出正常，跳转到第八步；当平均值大于期望值时，说明开关电源输出电压偏大，需要减小，跳转到第七步；当平均值小于期望值时，说明开关电源输出电压偏小，需要增大，进行第六步；

第六步，将输出至RC低通滤波网络的脉冲信号高电平持续时间减小一个单位，即当前电压级对应的数组stdCounterH中某一元素减小1。单片机脉冲信号的产生使用内置的定时器，每当定时器中断产生时，中断处理程序翻转输出管脚电平信号，然后给定时器的寄存器赋该电平信号的持续时间值，高电平信号对应当前电压级对应的数组stdCounterH中某一元素，低电平信号则对应脉冲周期减去这个元素，然后启动定时器。由于脉冲信号的周期固定，因此减小高电平持续时间就必然增大低电平持续时间，也就减小了脉冲信号的占空比，即减小开关电源脉宽调制电路的控制电压，最终增大开关电源输出电压，使之向期望值靠拢。跳转至第八步；

第七步，将输出至RC低通滤波网络的脉冲信号高电平持续时间增大一个单位，即当前电压级对应的数组stdCounterH中某一元素增加1。继续下一步；

第八步，在七段数码显示管上显示开关电源的输出电压Vout，Vout由采样平均值X根据公式(1)转化后得到；

上述公式中，Xn为用户选定的第n级输出电压级对应的A/D采样标准值，即为数组stdSamples中的第n个元素；Vn为第n级输出电压级的值，ΔV为步进电压。这里将相邻电压级之间的电压分布根据理论推算作简单线性化处理，所得电压值与实际值之间可能略有出入，但不会影响使用。

第九步，检测用于用户输入的第一按键开关K1和第二按键开关K2。若第一按键开关K1被按下，则输出电压级升高一级，标志数组stdCounterH中下一个元素为新电压级对应的脉冲信号高电平持续时间，若已经是最高电压级，则按第一按键开关K1无效；若第二按键开关K2被按下，则输出电压级降低一级，标志数组stdCounterH中前一个元素为新电压级对应的脉冲信号高电平持续时间，若已经是最低电压级，则按第二按键开关K2无效；若无按键开关被按下，则不作操作。跳转到第二步。

本实施例中，开关电源提供的输出电压级从小到大为5V、5.5V、6V……9.5V，10V，共十级，电压步进值为0.5V，最大输出工作电流为1A。在最大输出电流工作范围内，当负载从几十欧至几十兆欧发生变化以及工作温度发生变化时，开关电源输出电压均通过自动调整而稳定在电压级上，不发生变化。纹波噪声小于100mv，而如果直接使用采样值进行比较时，纹波噪声则小于200mv，由此可见，使用均值比较使得输出有更高的质量。另外开关电源各输出电压级的选择只需通过简单按键即可实现，无需万用表等测量仪器，方便易用。

Claims (10)

1、一种输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，其特征在于，包括：前端电压检测模块、后端电压输出模块、MCU微控制器模块、用户输入模块、显示模块，其中：前端电压检测模块接收开关电源的输出电压并传输给MCU微控制器模块；用户输入模块将用户输入的对开关电源输出电压的期望值传输给MCU微控制器模块；MCU微控制器模块根据用户输入完成对期望值的设定，对前端电压检测模块中的开关电源输出电压进行多次采样，并将采样值传输给显示模块，同时计算多次采样值的平均值，MCU微控制器模块将平均值与期望值的进行比较，并根据比较结果向后端电压输出模块输出控制信号控制其输出电压；后端电压输出模块的输出电压作为开关电源的脉宽调制电路的输入控制电压；显示模块接收MCU微控制器模块的信息，显示开关电源输出电压的采样值。

2、根据权利要求1所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，其特征是，所述前端电压检测模块，包括第一分压电阻(R1)、第二分压电阻(R2)以及模数转换器，其中：第一分压电阻(R1)的一端和第二分压电阻(R2)的一端并接，并与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输入端为采样点；第一分压电阻(R1)的另一端接开关电源的输出电压，第二分压电阻(R2)的另一端接地，模数转换器的输出为该模块输出，与MCU微控制器模块通过数据总线相连。

3、根据权利要求1所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，其特征是，所述后端电压输出模块，为数模转换器或RC低通滤波网络；

若后端电压输出模块为数模转换器，数模转换器与MCU微控制器模块通过数据总线相连，作为MCU微控制器模块的外设，数模转换器的输出即为后端电压输出模块的输出；

若后端电压输出模块为RC低通滤波网络，与MCU微控制器的具有驱动能力的输出管脚相连，RC低通滤波网络虑除高频信号后得到的直流信号即为后端电压输出模块的输出。

4、根据权利要求1、2或3所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，其特征是，所述MCU微控制器模块为可编程的MCU微控制器。

5、根据权利要求1所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，其特征是，所述用户输入模块由若干自带上拉或下拉电阻的按键开关构成，各按键开关分别与MCU微控制器的输入管脚相连，当按键处于按下和松开两种状态时，输入管脚上呈现高低电平信号。

6、根据权利要求1所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制电路，其特征是，所述显示模块为七段数码显示管阵列或小型液晶显示屏。

7、一种输出可调型开关电源的采样反馈控制方法，其特征在于，首先MCU微控制器模块通过前端电压检测模块采样开关电源的输出电压Vout，并计算多次采样值的平均值，然后根据平均值与用户设定的期望值的比较结果对后端电压输出模块的输出电压Vc进行调整，进而调整开关电源的输出电压Vout，使其向用户设定期望值靠拢。

8、根据权利要求7所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制方法，其特征是，所述用户设定的期望值，由MCU微控制器模块接收用户输入模块的输入，并根据用户的输入完成对开关电源输出电压的期望值的设定。

9、根据权利要求7所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制方法，其特征是，所述计算多次采样值的平均值，具体为：每次采样之后将采样值进行累加，然后判断已累加的采样值的个数，若已达到设定的个数则求取采样值的平均值；若尚未达到设定的个数，则继续采样直到达到设定的个数。

10、根据权利要求7所述的输出可调型开关电源的采样反馈控制方法，其特征是，所述根据平均值与期望值的比较结果对后端电压输出模块的输出电压Vc进行调整，具体为：当平均值大于期望值时，开关电源的输出电压偏大，需要减小，通过控制后端电压输出模块增大其输出电压Vc；当平均值小于期望值时，开关电源的输出电压偏小，需要增大，通过控制后端电压输出模块减小其输出电压Vc；当平均值等于期望值时，不做调整。

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