CN101572496B - 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 (1)

1.一种基于单片机控制的程控开关电源，其特征是：电网电压先经第一整流滤波器，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第二整流滤波器得到稳定的电压输出，单片机连接有键盘，输出电压通过键盘输入单片机、同时第二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；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；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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