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一種基于單片機的數控開關電源的設計應用

鉅大LARGE  |  點擊量:1065次  |  2020年05月14日  

1、引言


現實的生活和實驗中,常常要用到各種各樣的電源,電壓要求多樣。如何設計一個電壓穩定,輸出電壓精度高,并且調節范圍大的電壓源,成了電子技術應用的熱點。在市面上,各種電源產品各式各樣,有可調節的和固定的。但是普遍存在一些問題,如轉換效率低,功耗大,輸出精度不高,可調節范圍過小,不能滿足特定電壓的要求,輸出不夠穩定,紋波電流過大,并且普遍采用可調電阻器調節,操作難度大,易磨損老化。


針對以上問題,本文采用基于KA3525pWM控制芯片的不對稱半橋式功率變換器,并采用16位凌陽單片機作為數控核心,通過其內置的D/A輸出調制pWM,提高了電源的輸出精度和效率,并且方便使用者操作,實現了基于單片機的數控開關電源。


2、基于單片機的數控開關電源系統組成


本數控開關電源,采用凌陽單片機實現對基于pWM控制的不對稱半橋式功率變換器的數字控制,實現直流輸出電壓0V~40V設定和步進值為1持續調整,最大輸出電流為2A。同時實現了對輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統框圖如圖1所示。系統重要包括:pWM控制的開關電源模擬電路部分和凌陽單片機組成的數控部分。


圖1基于單片機的數控開關電源設計系統框圖


3、基于pWM控制的開關電源設計


pWM控制的開關電源電路原理如圖2所示。重要包括EMI濾波電路、整流濾波電路、功率變換電路、驅動電路、輸出電路、穩壓電路、過流保護電路以及輔助電源電路等。


圖2pWM控制的開關電源原理圖


3.1EMI濾波電路


EMI濾波器如圖3所示電路。該濾波器有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端。電路包括快速保險絲F1,泄放電阻R1,共模電感L1、L2,濾波電容C1、C2、C8、C9。泄放電阻R1可將C1上積累的電荷泄放掉,防止因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的進線端不帶電,保證使用的安全性。共模電感L1-1、L1-2對差模干擾不起用途,對共模信號呈現很大的感抗。C1、C9重要用來抑制差模干擾。C2、C8跨接在輸出端,經過分壓后接地,能有效的抑制共模干擾。


圖3EMI濾波電路


3.2整流濾波電路


常用整流電路有半波、全波、橋式、倍壓整流等形式。本文采用橋式整流電路,電路如圖4所示。圖中C3、C10兩個電容分別用于濾除整流后的高低頻成分。


圖4整流濾波電路


3.3功率變換電路


功率變換電路采用不對稱半橋功率變換器,如圖5所示。圖5(a)所示電路開關管M1導通、M2截止,電容C4放電。圖5(b)所示電路開關管M2導通、M1截止時,電容C4充電。圖中R1、R2、R6、R7在開關管關斷時為泄放電阻,用來泄放開關管結電容電壓。C4為儲能電容,電容容量不能低于2μF,否則會降低系統帶載能力。


(a)


(b)


圖5不對稱半橋功率變換器電流流向圖


3.4驅動電路


pWM信號出現芯片采用KA3525,它是一個典型的性能優良的開關電源控制芯片。其內部包括誤差放大器、比較器、振蕩器、觸發器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環節。KA3525的1和2腳是內部運算放大器的輸入端,系統中單片機的D/A轉換接口的一個引腳與KA3525的2腳連接,實現KA3525的數字控制與步進調整。11和14腳輸出交替的兩路控制信號,經驅動電路與功率開關管的門極相連接。本文采用的驅動電路如圖6所示。當11腳輸出高電平、14腳輸出低電平時,N1、p2導通,耦合變壓器原邊電流流向如圖6(a)所示。當14腳輸出高電平、11腳輸出低電平時,N2、p1導通,耦合變壓器原邊電流流向如圖6(b)所示。圖7為驅動電路耦合變壓器的輸出波形。


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圖6不對稱半橋驅動電路電流流向圖


圖7驅動電路耦合變壓器的輸出波形


3.5輸出電路


圖8即為LC濾波電路。電路中電感L4使電流波形變得平滑,電容則起到穩壓的用途。其中電容C1為低頻濾波,電容C7為高頻濾波。


圖8LC濾波電路


3.6穩壓電路


如圖2所示,輸出電壓經采樣電阻采樣調整后輸入KA3525的1腳,與單片機設定的KA3525的2腳電壓進行比較,以實現穩定輸出電壓。若輸出電壓升高,則采樣電壓大于2腳給定電壓,KA3525輸出的脈寬變窄,反之變寬。


3.7輔助電源電路


由于本電路中KA3525芯片和單片機分別要12V和5V的直流電壓,故須設計輔助電源,其電路如圖9所示。輔助電源輸出采用三端穩壓器7812和7805實現12V和5V的直流電壓。


圖9輔助電源電路


4、基于凌陽單片機開關電源的數控設計


本文數控部分采用凌陽公司的SpCE061A進行控制。SpCE061A重要包括輸入/輸出端口、按時器/計數器、數/模轉換、模/數轉換、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監測和復位等部分。SpCE061A單片機應用領域非常廣泛。


本文利用SpCE061A單片機內部10位的A/D、D/A實現對輸出電壓的步進控制和測量以及輸出電壓和電流的顯示功能。采用RT12864液晶顯示,與單片機相連接,單片機的IOB0~IOB7的數據口與LCD的DB0~DB7相連接,IOB8為RS,IOB9為R/W,IOB10為E,IOB11為RST。連接方式如圖10所示:


圖10RT12864與SpCE061的連接


輸入鍵盤控制電路采用4×4矩陣式非編碼鍵盤電路,與單片機進行連接。單片機的IOA8~IOA11做鍵盤的行掃描輸出口,IOA12~IOA15做鍵盤的列掃描輸入口。如圖11所示:


圖114×4矩陣鍵盤


KA3525的2腳是一個控制pWM波占空比的引腳,與SpCE061A單片機DAC1/DAC2引腳鏈接,利用集成的其中1個10位的D/A轉換器,給2腳供應精確的給定電壓,給2腳的電壓越高,KA3525輸出的pWM波的占空比就越大,開關管導通的時間就越長,穩壓源輸出電壓就越高,反之電壓降低。從而可根據要通過程序實現對輸出電壓的數字給定和步進調整,達到數控的目的。


5、試驗驗證及結論


為了驗證設計的可行性,進行了硬件實驗和程序調試。穩壓源的輸出電壓由KA3525芯片2腳的電壓決定。試驗中發現KA3525的2腳電壓與輸出電壓成非線性關系,因此要多次調試確定2腳電壓與輸出電壓的值以實現單片機的數字給定和步進調整,本文給出了部分KA3525的2腳輸入電壓與輸出端電壓對應值。對應關系如表1所示。


表1KA3525的2腳輸入電壓與穩壓源輸出電壓的關系


經過計算KA3525的2腳所要輸入的電壓并將其轉化成單片機所要的10位數字量,最后SpCE061A單片機將10位數字量左移6位寫入p_DAC1單元的高10位,進行D/A轉換成相應的3525芯片2腳給定電壓,實現對開關電源的步進調整。采樣電壓經A./D轉換后送LCD顯示,顯示精度可達0.01V。經多次測試,本電源輸出電壓可以0V~40V持續調整,歩進值0.1V,最大輸出電流可達I0MAX=2.5A,電壓調整率Su=0.1%,負載調整率SI=0.2%,效率η=90%,試驗結果表明本數控電源方法切實可行。


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