基于单片机的智能稳压电源的设计

基于单片机的智能稳压电源的设计内容摘要：

作在磁滞回线的一侧。 所谓的反激，是指当开关管 VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，在初级绕组中储存能量 ，负载电流由输出滤波电容提供； 当开关管 VT1 截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及 VD1 整流和电容 C 滤波 后向负载输出 ，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。 图 9 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为 20－ 100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。 唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。 在反激式变换器中，一般有两种工作模式：完全能量转换型（电感电流不连续）和不完全能量转换型（电感电流连续）。 这两种工作方式的小信号传递函数是极不相同的，动态分析时要作不同处理。 当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化，或负载在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式。 因此反激式变换器常要求能在完全和不完全能量转换方式下稳定工作。 单端反激式开关电源使用的开关管 VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在 20－ 200kHz 之间。 由于电路简单，且能高效提供直流输出，对多路输出特别有效， 不需要接输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减小。 因此广泛用于电力电子装置的内部电源。 所以本设计采用单端反激式开关电源。 大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 硬件设计 9 第三章 硬件设计 方案论证与设计 方案一：采用 A/D 电压放大器直接输出。 电路简单，但是输出电压带负载能 力不强，电源电压不稳定。 方案二：此 用 PWM 调制的开关电源输出，输出电压稳定，并且提供负载能力强，综上所述，采用方案二。 手动输出电压调节采用电位器改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，使其满足题目要求，该方案电路结构简单，实现方便。 键盘设定通过单片机改变模拟开关接通通道，选取取样回路的电阻节点位置，改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压， 实现键盘控制功能。 在 DCDC 变换器中，主要消耗功率的元件有主回路的开关管、续流二极管、储 能电感等部件。 由 UC3842 设计的 DCDC 升压电路直接用误差信号控制电感峰值电流，间接地控制 PWM 脉冲宽度，达到控制输出端电压的目的。 本设计中提高效率的措施主要有：通过增加电感线径减小电感阻值；采用低内阻的高效率 MOSFET 作为主回路的开关元件；采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗。 整体设计框图及工作原理 整体设计框图 直流稳压电源是一种常见的电子仪器，应用于电子电路、教学实验等领域。 目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使 用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。 随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化和智能化方向发展。 以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。 智能型稳压电源可利用单片机设置周密的保护 监测系统，确保电源运行可靠。 输出电压和限定电流大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 硬件设计 10 采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作方便，具有较高的使用价值 [3]。 硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、正负压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分原理框图如图 1 所示。 本设计的 功能有： PWM 波形； 所得的电压值调整 PWM 波形直到满足要求； AD/DA 芯片正常工作； 功能和 LED 显示。 本智能稳压电源以开关电源为 基础电路 ,以高性能单片机为控制核心 ,组成数据处理电路 ,在检测与控制软件支持下 ,通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较 ,从而调整和控制开关电源的工作状态 ,同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小。 整体设计框图如图 10所示 图 10 整体设计框图 整体系统工作原理 本研究设计的技术指标为： 在电阻负载条件下，使电源满足下述要求： （ 1）输出电压 UO可调范围： 30V～ 36V； （ 2）最大输出电流 IOmax： 2A； （ 3） U2 从 15V 变到 21V 时，电压调整率 SU≤2%（ IO=2A） ； （ 4） IO 从 0 变到 2A 时，负载调整率 SI≤5%（ U2=18V） ； （ 5）输出噪声纹波电压峰 峰值 UOPP≤1V（ U2=18V,UO=36V,IO=2A） ； （ 6） DCDC 变换器的效率 h≥70%（ U2=18V,UO=36V,IO=2A） ； （ 7）具有过流保护功能，动作电流 IO（ th） =177。 ； （ 8）能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值 1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。 脉宽调制 （ PWM） 整流滤波 电压取样及调整 光电隔离 功率推动电路 （ MOSFET） 开关变压器 直流输出 数码管 键盘 D/A 转换 单片机 过流保护 A/D 转换 大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 硬件设计 11本设计以单片机为核心 ,一边监测键盘一边显示当前输出电 压值 ,并向模拟开关输出当前设定值。 当键盘中控制输出电压的增减键被按下时 ,单片机就会对设定值进行相应的增减操作 ,并将修改之后的设定值送给模拟开关 ,更新输出电压为当前设定值。 该智能型稳压电以开关电源为基础电路，以 AT89C52单片机为控制核心 ,组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制开关电源的工作状态，同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小，其工作原理框图如图1所示。 市电经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路，开关调整电路在 AT89C52的控制下输出稳定的直流电。 用户可根据需要通过键盘给定稳压电源输出的电压值及最大输出电流值， AT89C52自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并与用户给定数据进行比较，然后采用时间最优 (BB控制 )与积分分离 PID控制的双模控制算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值， AT89C52在调整电源输出电压的同时还要检测电路的工作温度和输出电流，倘若超过给定值，就启动保护电路。 开关电源控制电路 整个系统的 开关电源电路 可分为三部分：主电源回路， PWM控制及驱动部分和采样保护部分。 主电源回路是整个系统 的主要部分， 交流输入电压经一次不可控整流滤波电路平滑滤波后，将得到的直流电压送至 DCDC 电路。 主电源回路主要可分为整流电路和 DCDC 变换两部分，后者决定了系统功能能否实现及效率的高低。 本系统 Boost 电路的电感选择及开关器件的选择与连接都至关重要， 决定整个系统的性能。 DCDC 变换的控制可采用 PWM 调制专用芯片，如 UC3842 芯片内部集成了振荡器（外接电阻电容来决定频率）、误差比较器、调制器等，使整个系统控制简单、稳定性较好。 系统过流保护选择用硬件监测的方式，当输出电流超过预设值后可由电路 直接发中断给单片机， 继电器保护快速动作，可靠性强，实时性好。 保护动作后，利用蜂鸣器和发光管实现过流报警。 整个 开关电源系统 的硬件部分可分为三部分：主电源回路， PWM 控制及驱动部分和采样保护部分。 主电源回路是整个系统的主要部分， 交流输入电压经一次不可控整流滤波电路平滑滤波后，将得到的直流电压送至 DCDC 电路。 主电源回路主要可分为整流电路和DCDC 变换两部分，后者决定了系统功能能否实现及效率的高低。 本系统 Boost 电路的电感选择及开关器件的选择与连接都至关重要， 决定整个系统的性能。 DCDC 变 换的控制可采用 PWM 调制专用芯片，如 UC3842 等芯片内部集成了振荡器（外接电阻电容来决定频率）、误差比较器、调制器等，使整个系统控制简单、稳定性较好。 系统过流保护选择用硬件监测的方式，当输出电流超过预设值后可由电路直接发中断给单片机， 继电器保护快速动作，可靠性强，实时性好。 保护动作后，利用蜂鸣器和发光管实现过流报警。 经过一段时间后自动重合继电器，使电路恢复工作。 通过键盘和 LED 与用户交互，键盘可直接输入所要求的输出电压，也可步进输入， LED 实时显示系统状态及输入信息 [4]。 开关电源 主电路图 开关 电源电路采用 UC3842 集成电路 ， 其特征是电路设计简单，性能稳定，控制型效率大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 硬件设计 12 高，能够很好的稳定电压幅值，同时，通过改变脉冲宽度占空比固定开关的频率改善波形，具有良好的抑制输出电压纹波和 噪声功能。 主电路图如图 11所示 图 11 开关电源主电路图 整流就是把交流电变成脉动的直流电的过程，整流的基本器件是二极管，利用二极管的单向导电性即可把交流电转换成脉动的直流电，桥式整流电路如图 12 所示。 图 12 桥式整流电路 在输入部分，整流桥 VBR1 和 电容 C1 可以整流和滤波，还可以减少高频噪声。 输出端的滤波电感也可以滤除高频干扰。 滤波是为了降低输出电压 的脉动分量 ，得到较为平滑的直流电源，常有的滤波电路有电容滤波、 RC（ LC） ∏型的滤波形式。 电容是一个能储存电荷的元件。 有了电荷，两极板之间就有电压 UC=Q/C。 在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。 时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除 ”了交流分量，经过滤波后，输出电压的纹波减小，直流成分得到提高 [5]。 大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 硬件设计 13 直流稳压电源 由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，电网供给的交流电压经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压，然后由整流电路变化成方向不变、大小随时间变化的脉动电压，再用滤波器滤去其交流分量，就可以得到比较平直的直流电压。 PWM控制电路 为了精确控制开关电路的电压输出，系统采用脉宽调制的控制方式调节开关管的工作状态。 I/O接口把单片机的高频脉冲信号分频后变成适宜的开关脉冲信号，作为中断口的计数脉冲和门控信号，单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较，产生误差信号，根据电压控制算法设置产生不同 占空比 (0～ 90%) 的方波信号，经过光电耦合器控制开关调整电路输出设定的电压。 I/O 输出端与开关电路进行光电隔离，防止来自开关电源电路的干扰信号影响单片机系统的正常工作。 脉宽调制产生电路通过 UC3842 和外围电路实现。 通过采样反馈电路改变开关占空比，来控制开关管的导通与关闭的脉宽，从而使输出电压稳定。 PWM控制器采用 UC3842集成电路， UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。 假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比 D， 使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的 ， 反之亦然。 UC3842 可以直接驱动MOS 管、 IGBT 等，适合于 制 20～ 80W 小功率开关电源。 由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中 “简洁至上 ”的原则 [6]。