基于单片机控制的程控开关电源研究

摘  要： 提出了基于单片机控制的程控开关电源解决方案，给出的主电路采用典型单端反激电路模式,控制电路采用51单片机为核心芯片,结合AD采样解决了控制功率开关管导通与关断信号PWM的控制问题。实现了开关电源输出电压为0.1 V/级的程控调节，其调节范围最大可达额定输出的76%。这种工作方式的建立使开关电源在设计上具有使用器件少、实现方法简单和可靠性高等优点。
关键词： 开关电源; 单片机;  程控
       近年来，人们不断地应用单片机在开关电源控制方面寻求一种设计较为合理的解决方案。较为常见的解决方案有两种。(1)模数混合基本形式。①单片机只是承担智能检测与智能控制任务，电源的控制仍是一般开关电源的控制模式[1];②由单片机输出一个电压(经DA芯片或PWM方式)用作电源的基准电压，同时还必须有功率开关的驱动电路芯片（PWM产生电路）。这种方式仅仅是用单片机代替了原来的基准电压，用按键输入电源的电压值来改变输出电压，单片机并没有加入电源的反馈环[2]。(2)利用单片机扩展AD，不断检测电源的输出电压和电流，根据电源输出电压与设定值之差控制逆变器，改变功率场效应管的导通与关断时间，达到输出电压稳定的目的。采用单片机技术进行输出电压调整，在方案过程中，实现使用了PFM方向PWM两种波形控制技术的软件编程方法[3]，使得实现技术过于复杂。
     为此，本文提出一种新的单片机控制直流开关稳压电源工作方式，利用单片机完成PWM波的产生，使用AD转换芯片,不断循环检测电源输出电压,根据电源输出电压与设定值相比较的差,直接控制调解单片机输出PWM波占空比，从而控制电源功率开关的导通关断时间，最终实现电源输出电压的稳压。输出电压的调节则采用通过改变PWM脉冲宽度的方式实现。在这种工作方式基础上设计的开关电源与上述的两种解决方案相比，具有方法简单、使用器件少及可靠性高等特点。
1电源系统设计
1.1电源硬件结构设计
     基于单片机控制的程控开关电源硬件系统如图1所示。该系统由两大部分组成:(1)控制电路由单片机软件编程产生PWM信号控制功率开关管导通和关断，同时单片机对AD采集的输出反馈电压、电流信号进行运算结果处理并根据程序设置改变PWM信号输出状态，达到稳定输出电源电压的目的。(2)主电路由典型单端反激电路高频变压器、功率MOS开关组成，完成DC-DC变换[4]。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220  V电网经小功率变压器，再进行整流滤波、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进行分析和处理。当输出电压超过额定电压10%或负载电流大于额定电流20%时，单片机自动关断PWM控制信号，同时产生报警提示以避免损坏用电设备或开关电源。
   
   1.2单片机系统电路设计
     单片机系统电路设计是电源设计的核心，兼顾运算能力与控制能力，并考虑设计成本等因素,系统选用了性价比较高的STC89C52单片机作为核心控制器,其系统电路如图2所示。STC89C52是一款低功耗、高性能的8 bit微处理器，片内含有8 KB Flash程序存储器和512 B的RAM，最高时钟频率为40 MHz，机器周期可设置为6个。AD转换芯片采用的是TLC2543,它是一款12 bit AD转换器，转换时间为10 ?滋s，具有11路模拟输入通道，最大误差为±1LSB。
   
   1.3 AD采样电路设计
     AD采样电路如图3所示。AD采样要完成电源输出电压、电流两部分检测任务。