摘要：数控开关是能够通过数控系统控制的开关，和传统开关型比较，数控开关具有适应能力强和控制力度大等优势。对于数控开关来讲，在稳压电源设计时，需要对其内部硬件综合分析，保证稳压电源硬件设计符合数控开关的应用需求。本文就数控开关稳压电源综合分析，明确其内部硬件设备运行模式，并制定合理的硬件设计方案。
关键词：稳压电源；效率；硬件设计
引言
稳压电源作为当前社会常见电源设备，能够在电能传输过程中维持自身电压的稳定性，降低电源设备因电压过大而出现的硬件故障，有效延长电源设备使用寿命。将数控开关与稳压电源进行有效结合，能够从一定程度上实现稳压电源可调控目的。对于数控开关稳压电源来说，涉及较多的高新技术手段，常见的包括微电子处理技术和大规模集成技术等，这些技术手段能够保证电源设备稳定运行，对我国各个行业发展也有重要的作用。
一、系统硬件总体结构
开关稳压电源系统它主要由AT89S52单片机、整流滤波电路、DC—DC电路、MOSFET管驱动电路、LED显示、3×8键盘、A/D转换电路等组成。220V的市电，经过220V/18V变压器，输出18V交流电压，经桥式整流、电容滤波后输出大约24V直流电压，经DC-DC变换得到一个幅度30V—36V可调的稳定直流电压。
二、硬件电路原理与参数设计
数控稳压开关电源的主回路主要由场效应管MOSFET、储能电感L1、L2、续流二极管D1、滤波电容C3、C4、负载电阻R0等元件组成,硬件框图如图1所示。ATMEGA128单片机产生PWM信号作为MOSFET栅极G的门控信号,考虑制作工艺、开关功率管频率特性、单片机主频等因素的限制,通常将开关电源的工作频率fs设计在几十千赫兹以下,本设计中选用43 kHz开关频率。系统利用反馈与控制原理,由电阻R1、R2组成电压反馈电路,经ATMEGA128单片机内置A/D转换芯片读出实际输出电压值Vout,然后与键盘设定电压值Vs相比较,得出差值Ek= Vs- Vout,单片机根据Ek的大小,调用PID公式,计算本次电压调节的增量ΔUk,输出调制后PWM波形,经由MOSFET驱动芯片UCC37321实现对输出电压Vout的精确控制。PWM信号对电路的具体控制过程为:当PWM信号为正半周时,控制MOSFET元件接通, L1存储能量,并向负载R0提供电流且向滤波电容C3充电。当PWM信号为负半周时,控制MOSFET元件关闭,存储在L1的能量释放,即向负载R0提供电流又继续对C3充电,如果L1放电完, C3的能量用来维持对负载的供电。
三、开关电源电路的硬件电路设计方案
对于开关电源电路硬件设计来说，在实施硬件设计之前，需要对电源设备规模和电能传输量等因素综合分析，并根据分析结果制定有效的电源电路硬件设计方案，避免在开关电源电路硬件设计时出现问题，保障开关电源电路硬件设计的合理性。开关电源电路硬件设计涉及多个阶段，而且各个阶段采取的技术手段也存在很大的差异，为此，需要加强对开关电源电路硬件设计的研究力度，保证硬件设计各个阶段全面衔接。
1、采用PWM控制
PWM系统能够在特定的条件下对电源传输信号进行有效控制，并保证电源信号传输周期的合理性。一般来说，利用相应周期能够确保输出功率的合理性，使得开关电源符合各个行业的发展需求。现阶段，我国各个行业应用的开关电源在进行内部硬件设计时都采用PWM控制技术，借以实现电能高效率传输。
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2、选取拓扑结构方案
不同电源设备的拓扑结构存在很大的差异，为了保证拓扑结构设计的合理性，需要在进行拓扑设计之前对电源系统内部转换器和电路铺设方式深入研究，选择电源系统转换器类型，并据此选择适当的电路拓扑技术。而且在进行拓扑结构设计的过程中，其中设计多方面技术手段，包括电压传输量核算，电功率大小和电磁兼容分析等方面，一般来说，只有在输入
电压小于输出电压时才能够实施拓扑结构设计，因此，明确输入输出电压大小，对于选取适当的拓扑结构设计方案具有一定现实意义。
3、单片机控制开关电源模块的结构设计
开关电源在长时间运行过程中，其自身各项元件经常会受到外界因素的影响，导致开关电源系统内部元件参数发生变化，应县开关电源系统内部电压的稳定性。而在这个过程中使用适当的单片机系统能够控制外界因素对开关电源造成的影响，降低开关电源设备在使用过程中出现电压漂移现象的可能。
目前开关电源中选取的单片机控制系统大多数是UC3842，这种单片机控制模块运行原理主要是根据电源设备中芯片对外界信号进行接收处理，并按照处理数据对输出电压进行综合调整，一旦出现电流超额的现象，单片机能够自动中断电源设备，借以保证电压的稳定性和合理性。
4、单片机作用下的开关电源电路设计
在基于单片机控制UC3842的开关电源设计中，单片机能控制UC3842开关电源模块的输出电压，是因为单片机控制DAC输出，间接控制芯片UC3842反馈端的电阻网络。单片机控制的BOOST开关电源电路图如图1所示。由开关电源输出端取样电阻取得取样电压后送往ADC0809模数转换，再由单片机P0口接收数据并进行计算处理，然后复用P0口经DAC0832数模转换后输出到UC3842开关电源模块反馈端，UC3842通过调整PWM输出，从而实现最终的稳定电压输出。其中，电路中的T1、T2等元件起到电源过流保护的作用，当输出电流过大时，T1导通，使得T2也导通，并且由T2集电极变为低电平的信号送往单片机INT0口，经单片机检测到INT0口低电平后发出关断指令，从P3.6口输出低电平来控制T3导通，从而使继电器断开，最终起到电源保护的作用。
四、开关电源的软件设计
1、开关电源软件设计
开关电源的软件部分包括：主程序、中断子程序、LCD显示和按键子程序、ADC0809转换子程序和DAC0832转换子程序。主程序完成系统的初始化，并同时包括调用中断子程序、显示和按键子程序等各子程序共同完成开关电源控制和信号处理，同时具有按键输入设置和输出电压显示功能。主程序流程图如图3所示。在主程序中，开始先断开继电器=1，进行一些必要的AD和LCD程序初始化，然后闭合继电器，接通输出电路，最后在AD端口上读入数据并把经过误差矫正后的数据显示在LCD上。其余子序由主程序进行跳转或是进行中断调用。
2、软件误差计算与削除误差
当单片机检测到开关电源输出电压与设定的电压存在误差时，为了削除误差，我们可以引用PID控制理论，PI算法的比例项能较好地削除瞬态干扰所引起的误差，积分项用于消除系统进入稳态后存在稳态误差，由于差分运算可能受干扰的影响而使系统的稳压性下降，因此我们用PI算法来实现削除误差。
参考文献
[1]宋宇飞，沈卫康.小型可调开关稳压电源设计[J].信息技术.2011(07).
[2]吴敏.开关稳压电源在电力电网中的应用研究[J].科技信息.2011(35).
[3]吕现钊，张翠侠.高频开关稳压电源的设计[J].蚌埠学院学报.2016(04).
论文作者:丁子龙
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/29
标签：开关电源论文; 电压论文; 单片机论文; 稳压电源论文; 电路论文; 硬件论文; 电源论文; 《基层建设》2017年第14期论文;