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基于AT89S52dpj程控開關穩(wěn)壓電源設計

作者: 時間:2009-08-24 來源:網(wǎng)絡 收藏

  開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。由于擁有較高的效率和較高的功率密度,開關電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。開關電源高頻化、模塊化和智能化是其發(fā)展方向。其中,可調、實時顯示是開關電源智能化研究方向之一?,F(xiàn)設計開關電源,技術指標為:輸出電壓30V至36V可調,最大輸出電流2A,有過流保護功能,能對輸出電壓進行鍵盤設定和調整、值1V,并能實時顯示輸出電壓和電流的開關穩(wěn)壓電源。

  1 總體設計方案

  采用單片機為控制核心,對普通的開關電源控制部分進行優(yōu)化設計,并通過軟件編程實現(xiàn)了對開關電源的智能控制。設計中采用隔離變壓器將市電變壓后通過整流濾波送至DC-DC升壓變換器,經(jīng)過一系列的控制整合電路之后可實現(xiàn)設計要求。系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。

系統(tǒng)總體框圖

  1.1 DC-DC主回路拓撲

  采用UC3842和MAX4080構成電路。UC3842是一塊功能齊全、較為典型的單端電流型PWM控制集成電路,內包含誤差放大器、電流檢測比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內部基準電源和欠壓鎖定等單元。電流控制型升壓電路,外接元器件少、控制靈活、成本低,輸出功率容易做到100W以上。當然,電路也可以采用成品模塊,若用PI公司生產(chǎn)的DPA-Switch設計開關電源具有集成度高、外圍電路簡單、發(fā)熱量少、性能指標優(yōu)良。

  由UC3842設計的DC-DC升壓電路直接用誤差信號控制電感峰值電流,間接地控制PWM脈沖寬度,達到控制輸出端電壓的目的。開關管以UC3842設定的頻率周期開閉,使電感L儲存能量并釋放能量。當開關管導通時,電感充電,把能量儲存在L中。當開關截止時,L產(chǎn)生反向感應電壓,通過二極管把儲存的電能釋放到輸出電容器中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制,而傳遞能量的多少由通過電感電流的峰值來控制。具體設計電路如圖1.2所示。

由UC3842設計的DC-DC升壓電路

  1.2

  在大電流的情況下容易損壞芯片,所以需要對大電流的情況給予電路保護。設計中采用單片機控制繼電器的通斷來控制電路中的電流,對輸出電路電流采樣,采樣值與額定值比較,反饋比較電路如圖1.3所示,當電流大于2.5A時,則產(chǎn)生信號使單片機進入中斷處理程序,使繼電器起動,實現(xiàn)DC-DC電路的斷電,從而達到的作用。單片機控制電路如圖1.4所示。該方案中單片機控制繼電器的吸合時間短,而且易于實現(xiàn)。

反饋比較電路

單片機控制電路

  1.3 數(shù)字設定及顯示電路

  采用單片機和集成芯片CD4051實現(xiàn)程控和步進,用單片機控制鍵盤實現(xiàn)輸出電壓的初始設定,可以實現(xiàn)電壓的步進1V,步減1V。使用液晶顯示輸出電壓和電流,可撥動轉換開關來選擇顯示電壓/電流模式。

  1.4 程序設計

  在設計好相關電路的基礎上,通過編程由單片機對開關電源進行智能控制。系統(tǒng)由單片機控制,電源系統(tǒng)具有"+‰"和"-"步進功能,步進幅度為1V。同時AT89S52結合繼電器等電路實現(xiàn)了電路過流保護功能,并且能實時顯示開關電源的輸出電壓和電流。程序總流程圖和中斷流程圖如圖1(5,6)所示。

程序總流程圖

中斷流程圖

  開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。由于擁有較高的效率和較高的功率密度,開關電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。開關電源高頻化、模塊化和智能化是其發(fā)展方向。其中,步進可調、實時顯示是開關電源智能化研究方向之一?,F(xiàn)設計開關電源,技術指標為:輸出電壓30V至36V可調,最大輸出電流2A,有過流保護功能,能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整、步進值1V,并能實時顯示輸出電壓和電流的開關穩(wěn)壓電源。

  2 提高效率

  如何提高開關電源的效率顯得尤為重要。在提高開關電源的效率上采取了如下措施。

  2.1 DC-DC轉換電路中電感在很大程度上影響系統(tǒng)的效率。市場上很難買到符合要求的電感,在繞制時對電感磁芯和漆包線的要求非常高,應將輸出電壓紋波降到最小。

  2.2 DC-DC轉換電路中開關管采用MOS管取代雙極性晶體管,串聯(lián)柵極電阻將衰減由MOS輸入電容、柵一源電路引線電感所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩??捎行岣咿D換效率,若選用幾個MOS管IRF530并聯(lián),可進一步提高效率。

  2.3續(xù)流二極管選擇肖特基二極管,其開啟時間短、管壓降小,可使電感存儲能量大,有利于提高電源轉換效率。

  2.4二極管、電感和MOS管的柵極最好盡可能地靠近焊接,這樣可以減少損耗,有利于提高系統(tǒng)的效率。

  3 測試數(shù)據(jù)和分析

  3.1 電壓調整率SU

  電壓調整率SU指U2在指定范圍內變化時,輸出電壓U0的變化率。用自耦調壓器調節(jié)U2從15V到21V之間變化,在輸出電流為2A時候,測量出輸出電壓,從而得到電壓調整率SU。

電壓調整率SU

  3.2 負載調整率SI

  負載調整率SI指I0在指定范圍內變化時,輸出電壓U0的變化率。改變負載電阻,使輸出電流在0~2A以內變化時,得到負載調整率數(shù)據(jù)如下。

負載調整率SI

  3.3 DC-DC變換器效率

  效率η=P0/PIN,其中P0=U0I0,PIN=UINIIN。用毫伏表在DC-DC模塊端口直接讀出輸入和輸出電壓電流各值,可得變換器效率。

DC-DC變換器效率

  3.4 紋波電流

  在開關電源設計中,MOS管源極接上1kΩ的電阻,電源濾波處加無極性電容,濾除高頻紋波。電流紋波實測數(shù)據(jù)如下。

電流紋波實測數(shù)據(jù)

  基于AT89S52的開關穩(wěn)壓電源具有良好智能控制和步進功能,測試數(shù)據(jù)表明電源系統(tǒng)具有較高的電壓調整率和負載調整率,并具有很高的效率,電源在最大輸出功率下能連續(xù)安全工作足夠長的時間。當然可通過對MOS管及相關元器件選擇、電路優(yōu)化設計,或選擇DC-DC成品模塊可進一步提高電源性能。



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