摘要：利用单片机控制开关电源是一种很好的控制方式，人们一直以来都在追求一种更为合理的解决方案。传统的用单片机调整输出电压的方式一般是引用PWM和PFM两种波形控制技术来进行软件编程，在具体实现的过程中很复杂。在本文中，提出了一种新的利用单片机对直流开关稳压电源进行控制的方式，相较于传统的解决方案，该方案更加的简单，可靠性更高。
关键词：单片机；程控开关电源；控制
常见的利用单片机控制开关电源的解决方案主要是：一，模数混合，智能控制和智能检测的任务由单片机来承担，用一般的开关电源控制模式来控制电源。电源的基准电压可以由单片机的一个输出电压来承担，PWM产生的电路还需要具备功率开关。采用这种方式只是单纯的将原来的基准电压用单片机来替代，输出电压通过用按键输入电源电压值来改变，这样在电源的反馈环中并没有加入单片机。二，AD用单片机进行扩展，电源的输出电流和电压要进行不断的检测，逆变器通过设定值和电源输出电压的差来进行控制，功率场效应管的关断时间和导通可以通过功率场的改变来稳定输出电压。输出电压的调整可以通过单片机技术来实现，但是在实施方案的过程中，需要使用PWM和PFM两种波形控制技术来进行软件编程，技术相对很复杂。在本文中提出的用单片机对直流开关稳压电源进行控制的方式，是PWM波的产生通过单片机来完成，电源输出电压通过AD转换芯片来进行不断的循环检测，然后比较设定值与电源输出电压的差，对单片机输出PWM波所占空比进行直接的控制调解，这样才能使得电源输出电压的稳压得以实现。[1]通过对PWM脉冲宽度的改变来实现对输出电压的调整。相较于常用的两种解决方案，该种方法更加简单，同时可靠性也更高。
1设计电源系统
1.1设计电源硬件结构
程控开关电源基于单片机控制系统如下图1所示，对于该系统来说，它主要包括两部分：一是，控制电路，二是，主电路。
1.2设计单片机系统电路
电源设计的核心是设计单片机系统电路，同时需要考虑到控制能力和运算能力及设计成本等，在本文中选用的是STC89C52单片机，它的性价比较高，将其作为核心控制器的系统电路如下图2所示。STC89C52单片机采用的8位微处理器，它的性能较高，同时功耗较低，其中有512B的RAM和8KB的程序存储器，6个机器周期。用TLC2543来作为其AD转换芯片，AD转换器是12位，转换时间是10μs,模拟输入通道有11路，10μs的转换时间，误差最大为±1LSB。[2]
1.3设计AD采样电路
1.3.1检测输出电压
电源输出电压可以通过单片机对TLC2453转换芯片的控制来进行检查，PWM占空比可以通过采集到的电压值来进行不断调整，这样就有电源反馈回路形成，输出电压可以稳定在5V上。如果输出电压比5.5V要高，单片机会进行判断，将PWM驱动信号关断，电源输出也被关断。
1.3.2检测输出电流
电源负载电流可以通过对单片机控制的TLC2453转换芯片的检测得到，然后将设定值和采集到的电流值进行比较，据此作出判断。如果负载电流比2.4A大，PWM驱动信号会被单片机关断，电源输出由此被关断，外围电路由此得到保护。[3]
2设计电源软件程序
2.1设计软件系统
程控开关电源基于单片机控制的流程框图如下图3所示，一旦程序执行开始，会先初始化单片机定时器，确保单片机的一个输入/输出频率是30KHZ的PWM信号，将MOS开关管驱动，电源此时输出的是直流电压。这时，程序进入的是AD采样循环，如果保护值比输出电流或是输出电压小，PWM信号的输出会被单片机关断。程序会实时比较键盘设定数值和AD采集反馈电压数值，一旦发现比设置的电压值大，PWM脉宽会减小，PWM的最小分辨率就是减小刻度；如果设定电压大于输出电压，PWM脉宽会增大，PWM的最小分辨率就是减小刻度；如果设定电压大于输出电压，PWM脉宽则增大，PWM最小分辨率就是增大刻度。通过调整PWM的信号实时脉宽和AD对输出电压的实时采集，开关电源由此得到的直流电源非常稳定。[4]
2.2设计单片机产生的PWM信号算法
开关电源的工作性能受到了PWM信号频率和调整分辨率的很大影响，如果涉及到分辨率和频率，单片机应选择30KHZ的PWM信号频率。为了确保有最好的效果，单片机的运行速度一定要尽可能提高，单片机可以选择38MHZ的晶体振荡器，设定6个时钟的机器周期。PWM信号可以通过使用单片机定时器产生，定时器应先赋予初值，然后将高电平时间设定好，这样在这段时间内PWM信号驱动管脚一直是高电平。定时器的初值可以在定时时间到达后改变，这样下一个时刻驱动输出管脚会出现低电平，两个定时时间会产生33μSs的时间之和。PWM的占空比可以通过改变高电平的时间来改变。定时器的初值计算公式是：
3分析和实验测试数据
在本文的设计中采用的是220V的交流输入电压，5V/2A的直流输出。
3.1电压的调整率
如果电网电压由220V上升至250V，输出电压有着0.4%的调整率；如果电网电压从220V下降到190V，输出电压有着0.2%的调整率。
3.2电流调整率
如果负载电流是1-2A，电流的调整率为1.0%；如果负载电流是0.12-0.9A，电流的调整率是1.0-1.8%。
3.3分析和测试实验波形
如果电源有着220V的输入电压，5V/2A的输出直流参数额定值，保持直流负载不变，改变外设键盘来将直流输出电压改变，分别测量直流电压在1.2V/0.5A、4V/1.2A、5V/2A工作状态下的输出直流电源情况，波形如下图4所示。如果负载固定，随着不断改变的输出电压，占空比的改变漏源波形也在不断改变，占空比随着输出电压的变小而变小。随着电源电流的变化也会引起漏感产生的尖峰电压改变，尖峰电压随着负载电流的增大而增大；在额定输出时产生最大漏感尖峰电压，占空比此时为42%。从下图中看出，要想保证电源功率MOS开关管的正常工作，需要确保比800V大。[5]
3.4测试过压、过流保护
如果电流比2.4A大，电压比5.5V大时，有提示显示和报警功能，输出会自动关断，以此会进行过流或是过压保护。如果将过流或过压去掉，启动激活按键，电源还是会继续正常工作。
3.5电压输出程控
如果电源输出功率比0.6W大或是比电源额定输出大，可以调节1.2V到5.0V间每0.1V的输出电压，调节的最大范围能达到额定输出的76%。
4小结
通过上面的数据分析知，开关稳压电源基于单片机控制能有效实现电源电压的程控调解，最大调节范围能达到额定输出的76%，电流、电压调整率良好，具有很好的过流、过压保护能力。在消除过压和过流后，电源可以通过启动键得以恢复正常。通过测试知，程控开关电源基于单片机控制相较于传统的设计，极好的改善了设计弹性，电源开关的适应能力得到了增加，单片机设计开关电源有着广阔的发展前景。
参考文献
[1] 郑贵林.一种智能化电源的设计[J]．电子技术应用．2008，（10）:38-40.
[2] 李祖明.基于单片机控制的开关电源及其设计[J]．科技信息．2013，（17）:81-82.
[3] 陈念军.基于单片机控制的开关电源及其设计[J]．科技信息．2014，（17）:81-82.
[4] 温水平.基于单片机控制的软开关逆变焊接电源平台的研制[J]．电焊机．2012，（39）：54-57.
[5] 高原.智能型充电稳压电源的设计[J]．电子传动及自动化．2010，（03）：59-61.
论文作者:史龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/4
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