数控开关电源

[摘 要]电源对所有用电器是必不可少的设备。进入21世纪以来，电源正朝着智能、节能、节材、微型、安全等方向发展，逐渐的取消了传统笨重的工频变压器电源。本文提出的由单片机控制的数字开关电源以兼并开关电源的整机效率高、体积小、重量轻和安全性高的优良特性外还可实现输出稳定可调和人机对话功能，用户可根据自己的实际需要来调控直流工作电压。从而解决了需要不同电压时只能采用更换电源的难题。

[关键词]节能；单片机；开关电源

中图分类号：TG303 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01

前言：开关电源就是电源电路中的功率变换器件工作在开关状态，它是在线性稳压电源的基础上产生的。它是一个把交流电变换成电，把直流电又转化为交流电，再把交流电转换为直流电的电源转换电路。它是通过电路中控制元件的导通时间来调整电压大小。开关电源属于电力电子技术，他运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，他可以满足各种用电要求。开关电源是美国 NASA 用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的。与线性电源相比开关电源具有体积小、重量轻、效率高的特点，被广泛用于电视机、计算机、自动控制装置、产业机械、通信装置等各个领域。特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展，开关电源的需求量不断扩大。随着现代技术的发展，尤其是和单片机的结合，使得开关电源开关电源迎来了又一个生命――数控开关电源。

1 数控开关电源的基本理论

一般开关电源是随电网电压变化或负载变化而变化的，当电网电压变化或负载变化引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使2端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。

本文提出了一种采用单片机作为整机反馈量的控制单元，可以通过我们的实际需要输入相应数字量来改变反馈电压值，通过反馈电电压使脉宽调制器占空比发生变化，间接地改变输出电压大小的新方法。称之为数控开关电源。这种电源不但能够设定系统输出电压值的大小，还能当电网电压在一定范围内变化或负载变化引的电路电压的变化时保持恒定输出。同时还能通过驱动数码管芯片从而驱动4位的共阳数码管进行显示，使系统硬件更加简洁，输出精度更高。

1.1 桥式整流电路

桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，由四个二极管两两顺序连接组成，输出电压V0是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为

1.2 脉宽调制电路

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。本文采用能承受较大电流，漏电流较小的功率开关管，当功率开关管受PWM脉冲激励而导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：

Ipmax=（Ε/Lp）Ton

式中：E――整流电压；Lp――变压器初级绕组电感；Ton――场效应管导通时间。

在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为

Ismax=nLpmax=n（Ε/Lp）Ton

式中：n――变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。

高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：

N（E/Ls）Ton=（Uo/Ls）Toff

式中：Ls――变压器次级绕组电感；Uo――输出电压；Toff――场效应管关闭时间。

因为LP=n2L， 则：（E/nLS）Ton=（Uo/LS）Toff，ETon=nUoToff

Uo=（Ton/nToff）E

1.3 启动电路

电源是通过启动电阻提供电流给电容充电，当电容电压达到启动电压门槛值时，脉宽调制芯片开始工作并提供驱动脉冲，推动开关管工作。

1.4 反馈回路

反馈回路有单片机主导构成，起着稳定电压输出、调节电压输出和显示电路电压的作用。

2 单片机及电路的设计

2.1 复位电路

本文采用的是一个低功耗，高性能CMOS 8位的AT89S52单片机，为了使单片机内特殊功能寄存器初始化，所以需要一个复位电路来实现，复位后可使AT89S52单片机到初始状态，并从初始状态开始正常工作。在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，

2.2 时钟电路

AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2 可以不接，而从 XTAL1 接入，由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30P左右，晶振频率选12MHz。

2.3 D/A转换器

如图1-2在控制电路中需要一可变的基准电源来改变稳压调节器输入端电压的大小，而单片机输出的控制信号为数字信号，所以变化的基准电压需借助数模转换器产生。

3 软件的设计

3.1 主要完成三方面的功能

1）.设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作。

2）.把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作。

3）.中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。

3.2 程序设计思想

当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，在转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果调节键按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果调节键+按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER―OUT引脚）增加0.1V，保存设置电压数据。如果调节键-按下，电压数据减1，输出电压减少0.1V，保存设置电压数据。

4 结束语

结合单片机开发的开关电源是电源技术发展的创新技术，其功率小，整机的稳定、可靠，而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V（ 10%），而开关型稳压电源在电网电压在110～260V范围内变化时，都可获得稳定可调的输出电压，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

参考文献

[1] 《开关稳压电源原理与实用技术》慕苤勋等编著，科学出版社，2005.6.

[2] 《开关电源技术》杨旭等编著，机械工业出版社，2004.1.

[3] 《单片机应用技术（汇编语言）》李秀忠主编，中国劳动社会保障出版社 2006.7.