CN101572496A - 基于单片机控制的程控开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于单片机控制的程控开关电源。电网电压先经整流滤波器，整流滤波后得到的直流电压进入高频变压器，单片机产生PWM信号控制功率开关管导通和关断、将直流电压在高频变压器处转化成高频方波，高频变压器输出的高频方波再经整流滤波器得到稳定的电压输出，单片机连接有键盘，输出电压通键盘输入单片机、同时整流滤波器的输出进行AD采样输入单片机进行运算分别用来调整PWM信号的脉宽和连接在单片机上的控制液晶显示及报警装置。本发明应用单片机代替传统的PWM控制芯片驱动MOS开关管，使用AD采集输出电压形成闭环回路，通过单片机软件编程实现开关电源的数字化控制。具有程控电压调节输出，过压保护，过流保护，输出电压电流显示等功能。

Description

基于单片机控制的程控开关电源

(一)技术领域

本发明属于开关电源领域中的数控开关电源技术。

(二)背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

上世纪60年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。40多年来，开关电源技术有了飞迅发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。自上世纪80年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。目前，开关电源正向着集成化，小型化的方向发展。数字化控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向。

电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。

但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。

全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。

数字化的简单应用主要是保护与监控电路，以及与系统的通信，目前已大量地应用于通信电源系统中。它可以取代很多模拟电路，完成电源的起动、输入与输出的过、欠压保护、输出的过流与短路保护，及过热保护等，通过特定的介面电路完成与系统间的通讯与显示。

数字化的更先进应用不但实现完善的保护与监控功能，也能输出PWM波，通过驱动电路控制功率开关器件，并实现闭环控制功能。目前，TI、ST及Motorola等公司均推出了专用的电机与运动控制DSP芯片。现阶段通信电源的数字化主要采取模拟与数字相结合的形式，PWM部分仍然采用专门的模拟芯片，而DSP芯片主要参与占空比控制，和频率设置、输出电压的调节及保护与监控等功能。

为了达到更快的动态响应，许多先进的控制方法已逐渐提出。例如，安森美公司提出改进型V2控制，英特矽尔公司提出Active-droop控制，Semtech公司提出电荷控制，仙童公司提出Valley电流控制，IR公司提出多相控制，并且美国的多所大学也提出了多种其他的控制思想.数字控制可以提高系统的灵活性，提供更好的通信介面、故障诊断能力、及抗干扰能力。但是，在精密的通信电源中，控制精度、参数漂移、电流检测与均流，及控制延迟等因素将是急需解决的实际问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有程控电压调节输出，过压保护，过流保护，输出电压电流显示等功能的基于单片机控制的程控开关电源。

本发明的目的是这样实现的：

电网电压先经整流滤波器，整流滤波后得到的直流电压进入高频变压器，单片机产生PWM信号控制功率开关管导通和关断、将直流电压在高频变压器处转化成高频方波，高频变压器输出的高频方波再经整流滤波器得到稳定的电压输出，单片机连接有键盘，输出电压通键盘输入单片机、同时整流滤波器的输出进行AD采样输入单片机进行运算分别用来调整PWM信号的脉宽和连接在单片机上的控制液晶显示及报警装置。

本发明还可以包括：

1、所述的AD采样是应用AD对输出电压的采集，采集信号输入单片机进行分析及处理，当输出电压超过额定电压10％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警信号输入液晶显示及报警装置。

2、所述的AD采样还包括利用霍尔电流传感器将电流信号转化成电压信号，霍尔电流传感器的输出端通过AD采样输入单片机判断电流大小，当输出电流大于额定电流20％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警信号输入液晶显示及报警装置。

本发明应用STC89C52单片机代替传统的PWM控制芯片驱动MOS开关管，使用AD采集输出电压形成闭环回路，主电路采用典型的单端反激电路模式，通过单片机软件编程实现开关电源的数字化控制。具有程控电压调节输出，过压保护，过流保护，输出电压电流显示等功能。

一.本系统主要包括以下两个部分：

1.硬件部分：包括数字电路和模拟电路。数字电路由单片机、键盘、液晶屏、AD反馈采样电路、蜂鸣器报警电路等组成。模拟电路由高频变压器、半导体功率开关管，整流电路等组成。

2.软件部分：通过编写程序驱动AD模数转换芯片和液晶显示，使单片机输出PWM驱动信号，通过对AD采样的结果进行计算，实时调整PWM信号脉宽，使输出电压稳定。

二.本系统硬件、软件实现的方法

1.硬件部分：

首先把电网电压经整流滤波后得到的直流电压，利用单片机产生PWM信号控制功率开关管导通和关断，将直流电压在高频变压器处转化成高频方波，再经整流滤波得到稳定的电压输出，从而实现DC-DC变换。输出电压通过外部按键进行设定，同时单片机对AD采集的信号进行运算，分别用来调整PWM信号的脉宽和控制液晶显示。

2.软件部分：

PWM信号的脉宽是通过单片机内部定时器控制的，改写定时器寄存器的初值可改变PWM信号的占空比。输出电压经过AD采样，将数字量反馈到单片机上，通过软件对采样电压与设置电压进行比较运算。根据运算结果对定时器进行改写，当输出电压偏高时，PWM信号脉宽减少；当输出电压偏低时，PWM信号脉宽增加。通过PWM信号占空比实时动态调整，使得开关电源输出电压稳定。

3.其他功能的实现：

过压保护的实现：

本开关电源在设计中具有过压保护功能，应用AD对输出电压的采集，并通过单片机的采集信号的分析及处理。当输出电压超过额定电压10％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警提示以避免损坏用电设备或开关电源。

过流保护的实现：

利用霍尔器件将电流信号转化成电压信号，输出端通过AD采样，判断电流大小，当输出电流大于额定电流20％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警提示，从而达到过流保护的功能。

程控调节输出电压及电流电压显示部分：

本电源可以通过按键对输出电压进行设定，可以实现每级0.1v的输出电压调节。单片机通过AD采集输出电压和电流的数据，并将采集的数据进行处理，通过液晶屏显示输出电压、电流的大小。

本发明利用单片机输出PWM信号控制半导体功率开关管，采用单端反激电路并结合AD采样来实现稳压输出，并且达到过压保护，过流保护等功能的程控开关电源。

(四)附图说明

图1是本发明的基于单片机控制的程控开关电源的结构方框图；

图2是本发明的基于单片机控制的程控开关电源的控制流程方框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1。首先把电网电压经整流滤波后得到的直流电压，利用单片机产生PWM信号控制功率开关管导通和关断，将直流电压在高频变压器处转化成高频方波，再经整流滤波得到稳定的电压输出，从而实现DC-DC变换。输出电压通过外部按键进行设定，同时单片机对AD采集的信号进行运算，分别用来调整PWM信号的脉宽和控制液晶显示。单片机的供电是从220v电网经小功率变压器，再整流滤波、稳压后得到。

应用AD对输出电压进行采集，并通过单片机对采集信号分析和处理。当输出电压超过额定电压10％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警提示以避免损坏用电设备或开关电源。

利用霍尔器件将电流信号转化成电压信号，输出端通过AD采样，判断电流大小，当输出电流大于额定电流20％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警提示，从而达到过流保护的功能。

本电源可以通过按键对输出电压进行设定，可以实现每级0.1v的输出电压调节。单片机通过AD采集输出电压和电流的数据，并将采集的数据进行处理，通过液晶屏显示输出电压、电流的大小。

结合图2。程序开始执行时，先对液晶、键盘等外部接口进行初始化。再对单片机定时器进行初始化，使单片机的一个I/O口输出频率为30K的PWM信号，驱动MOS开关管，使电源输出直流电压。此时程序进入AD采样循环，当输出电压或电流大于保护值时，单片机会关断PWM信号的输出。程序将AD采集反馈电压的数值与键盘设定的数值实时进行比较，如果大于设定的电压值则减小PWM脉宽，减小刻度为PWM最小分辨率。同理，如果输出电压小于设定的电压值则增大PWM脉宽，增大刻度为PWM最小分辨率。通过AD对输出电压的实时采集和PWM信号的这种实时脉宽调整使得开关电源输出稳定的直流电压。

基于单片机控制的程控开关电源的技术指标如下：

1.在220V交流输入电压供电的情况下，额定输出5.00V/2.00A。

2.电压调整率为0.4％

3.电流调整率：

①当负载电流由(1-2)A时，电流调整率为1.0％

②当负载电流(0.12-0.9)A时，电流调整率为(1.0-1.8)％

4.DC-DC转化效率达75.9％

5.纹波电压：40mv

6.过压、过流保护：

当输出电压大于5.50V或电流大于2.4A时，有报警和显示提示功能并自动关断输出，实现过压或过流保护。当去掉过压或过流后，通过按键启动仍可正常输出。

7.程控电压输出

当输出功率大于0.6W时可实现每级0.1V的电压调节输出。

满载(输出5.00V 2.00A)时可实现从1.2-5.0V每级0.1V的电压调节输出。

Claims (3)

1、一种基于单片机控制的程控开关电源，其特征是：电网电压先经整流滤波器，整流滤波后得到的直流电压进入高频变压器，单片机产生PWM信号控制功率开关管导通和关断、将直流电压在高频变压器处转化成高频方波，高频变压器输出的高频方波再经整流滤波器得到稳定的电压输出，单片机连接有键盘，输出电压通键盘输入单片机、同时整流滤波器的输出进行AD采样输入单片机进行运算分别用来调整PWM信号的脉宽和连接在单片机上的控制液晶显示及报警装置。

2、根据权利要求1所述的基于单片机控制的程控开关电源，其特征是：所述的AD采样是应用AD对输出电压的采集，采集信号输入单片机进行分析及处理，当输出电压超过额定电压10％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警信号输入液晶显示及报警装置。

3、根据权利要求2所述的基于单片机控制的程控开关电源，其特征是：所述的AD采样还包括利用霍尔电流传感器将电流信号转化成电压信号，霍尔电流传感器的输出端通过AD采样输入单片机判断电流大小，当输出电流大于额定电流20％时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警信号输入液晶显示及报警装置。

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