基于PWM的开关稳压电源的设计

摘要：论文基于单片机与电子电力技术，采用Boost直流斩波电路作为DC-DC变换器的主要部分。以STC12C2052AD处理器作为整个系统的主控器并且增加了对主电路电流、电压的采样反馈，实现过流保护和闭环PWM控制。该文对系统的硬件、选型、软件控制的实现均有较为详细的阐述，围绕单片机和开关电源技术进行的小功率通用开关稳压电源的设计。

关键词：STC12C2052AD；DC-DC；PWM

中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）04-0922-03

A Design of Switch Voltage Regulator Based on PWM

WANG Lei， LI Jian-min， LI Ping

（Information Science and Technology College， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： The thesis based on MCU and power technology，uses Boost DC chopper circuit as the DC-DC converter major part of the main circuit. The subject uses the STC12C2052AD as the main controller of the all-whole system， and it increases the sampling and feedback of the current and voltage of the main circuit to achieve over-current protection and closed-loop PWM control. In this paper， the hardware of system， selection， the realization of software control are described in detail. Design of low-power general-purpose switching power supply focus on MCU and power technology.

Key words： STC12C2052AD； DC-DC； PWM

随着电子技术的发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标能否达到以及能否安全可靠的工作。

现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。相对线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要求，开关电源的主要优点是：效率高，可靠性和稳定性好，体积小，重量轻，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，任能维持较稳定的输出[1]。开关电源一般采用PWM信号控制电源开关占空比，目前有很多的如TL494等专门的PWM控制芯片[5]和比较成熟的反馈电路设计但为了进一步降低电源输出波纹，实现输出可变并控制产品成本和体积。本设计中采用小封装STC12C2052AD单片机完成PWM信号的产生、系统控制，A/D采样等。实现了设计的数字化、小型化可应用于开关稳压电源的设计。

1 系统结构

系统主要由电源整流部分、控制器、信号驱动模块和升压模块组成，如图1所示。系统输入为220V，50Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18V的直流电压，送入DC-DC变换电路，经滤波输出直流。控制器完成电压的AD变换并实现电压值的外部设置和实时显示，同时控制模块输出脉宽调制信号（PWM），从而控制Boost电路的输出电压[2，6-7]。该输出电压可在30～36V范围内步进调节。最大输出电流达2A。设计中DC-DC变换的核心电路采用经典的Boost升压形式。

图1 系统硬件总体框图

2 系统硬件设计

2.1 MOS管驱动电路

由于单片机I/O口的驱动能力弱不足以驱动MOSFET，所以要增加专用的MOSFET电路。设计中采用采用美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110，从而减小了装置的体积，降低了成本，提高了系统的可靠性[3-4]。IR2110是一款高低电平驱动器件具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3Vcc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；其逻辑输入电压只需3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，输出电压最大可达20V，图腾柱输出驱动电流最大可达到2A；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；由于IR2110可同时驱动双MOS管，因而系统只涉及一个MOS管，故只使用一路驱动即可。

2.2 STC12C2052AD控制器

系统中控制器不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整DA的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节。开关电源的控制芯片采用STC12C2052AD系列单片机，利用其内部PWM组件产生控制信号，经过放大后驱动boost升压电路。STC系列单片机为单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机[8]。具有两路PWM/PCA和8路8位精度的ADC，在本设计中充分利用这两个功能来构成整个控制系统。

2.3 缓冲电路设计

当变换器的开关管在导通、截止后开关管的电压和电流的乘积几乎为零，但在导通和截止的变化过程中电压和电流都具有一定的幅值。因此变换器就会在开关过程中产生开关损耗。通常，变换器的开关损耗中，关断损耗比开通损耗大得多，因此大多数场合下只考虑关断过程的缓冲即可。最简单的缓冲电路就是附加缓冲电容，但在开关管导通时缓冲电容通过开关管放电，放电电流值非常大，开关关不能承受[9-10]。限制放电电流可串联限流电阻但缓冲效果明显变差，此时可将二级管并联到电阻两端以减小时间常数，这就是常用的RC-D缓冲电路，如图2所示。

图2 场管缓冲电路

为了有效的将开关管的开关应力转移，缓冲电路作用的时间应大于开关管的电压上升时间与电流下降时间之和，通常可以选择为开关周期的1/100～1/200电容理论值大约为6.7nF。多次试验显示，保护吸收电路的电阻应取kΩ级，电容取nF级即可。

2.4 采样电路设计

为了实现电压的反馈控制和过流保护，系统需要增加采样电路，采样电路共分成两部分：电压采样和电流采样。因为单片机ADC的参考电压为5V不能直接对输出电压进行变换，因此需要对输出电压分压后再采样。采用对输出的1/10分压，分压电路用简单的电阻分压器即可。课题要求系统具有过流保护的功能，这就要对电流进行采样，将电流变成电压后也进行ADC变换。采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。例如，锰铜线制成的电阻，温度系数约5ppm/℃ 。另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升。另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R=0.5[Ω]。

3 系统软件设计

3.1 单片机控制算法

为了通过反馈调节控制信号实现稳压，系统软件设计中加入了PID控制算法，即单片机中将给定电压值与采样反馈电压值比较，利用偏差的比例、积分、微分线性组合调整PWM信号的占空比，进而达到稳压。常用的PID算法形式为：

[Uk=Kpek+Kiikei+Kdek-ek-1]

式中：[Kp]、[Ki]、[Kd]分别为比例系数、积分系数、微分系数；e（k）为偏差；u（k）为所需控制信号的调整值。为了简化程序该系统设计选择P算法（PID算法的一种简单形式），即令[Ki]、[Kd]为零，只考虑比例系数。因此，系统稳压控制的优劣取决于参数[Kd]。[Kp]越大，系统反应越灵敏，但[Kp]偏大会导致输出振荡大，调节时间延长。因STC单片机速度较快所以课题中[Kp]选择不必太大，可实现预期稳压功能即可。

3.2 控制程序设计流程

根据课题要实现的功能及要求，单片机软件的控制部分程序的流程图3所示。

图3 控制流程图

4 调试结果

测试当中输入电压为18V，开关管的控制脉冲（PWM波）频率为104kHz，占空比50%，组装时电容取1600μF，电感为820mH，电阻为30Ω。得到的电流电压波形图如4所示。可看出，在不考虑损耗时电压可以升35V以上；在实际电路中因存在损耗，通过调整占空比达到了输出电压30～36V步进调整，最大输出电流2A。

图4 输出电压变化趋势

改变电源的负载，对不同负载下的输出电压进行测试，数据如表1所示。

表1 负载调整率测试数据（U2=18V）

[输出电流＼&空载＼&1KΩ＼&100Ω＼&30Ω＼&输出电压＼&36.0V＼&35.78V＼&35.5V＼&35.38V＼&]

负载调整率[SI]=（36.01-35.38）/36.01≈1.7%

对不同输入电压下的电流、电压进行测试并计算出变换器的效率，测试结果如表2所示。

表2 变换器效率测试（不含单片机等控制电路）

[输入

电压[Ui]＼&输入

电流[Ii]＼&输出

电压 Vo＼&输出

电流[I0]＼&效率＼&21.9V＼&1.957＼&36.01V＼&1.056＼&88.7%＼&21.1V＼&2.898＼&35.86V＼&1.505＼&88.3%＼&]

5 结论

传统的晶体管串联调整稳压电源虽具有稳定性好、输出波纹小等优点，但体积大且笨重的工频变压器和滤波器和只有45%左右的电源效率等缺点不能满足电源高效率、小型化、集成化、智能化的趋势。而开关电源的效率可高达70%-95%，功耗小散热器随之减小。本设计增加了电源的数控功能利用Boost电路实现了系统设计的升压转换，采用单片机完成数字控制，软件编程得到PWM信号，通过调整占空比实现输出电压数字调节，运用反馈算法实现可控的稳压输出。实验表明各项指标满足设计要求，适用于低成本、智能化的电源开发中，有广阔的应用前景。

参考文献：

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