基于ARM的智能數字開關電源設計

摘 要:設計了基于ARM7的智能化、數字化可調開關直流電源系統，對電源主電路實現了全數字控制。分析了組成系統的各類芯片的性能特點及工作原理，重點闡述數字電源系統的電路設計，ARM控制系統及其實現功能。電源系統采用BUCK變換器進行降壓和調壓，推挽式直流變換器進行升壓，SC344B0X 的ARM7芯片作為系統的控制核心。輸出電壓連續可調、紋波系數低于0.5%、輸出電壓穩定度小于0.3%，具有很好的應用價值。

關鍵詞:開關電源; ARM7; 高頻變壓器; 變換器

中圖分類號:TN86 文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)12-0208-03

Design of Digital Intelligent Switch Power Based on ARM

WU Qiong， PENG Bao-jin

(Institute of Information Optics， Zhejiang Normal University， Jinhua 321004， China)

Abstract:The digital intelligent switch power-supply system based on ARM7 was designed. The performance and working princilple of the COMS chips which constitutes the power-supply systemareanalysed. The circuit design， ARM control system and function implementation of the system are elaborated empnatically. The BUCK convertor is adopted in the power-supply system to reduce and adjust the output voltage and push-pull DC convertor to heighten the output voltage. The controlling core of the power-supply system is a SC344B0X AMR7 chip. The output voltage can be regulated continuously. The output voltage stability is less than 0.3%. And the ripple factor is less than 0.5%. Experiment indicates that the performance of the system is stable.

Keywords:switching power-supply; ARM7; high-frequency transformer; convertor

0 引 言

隨著現代科技事業的發展，電器設備的精度提高、可靠性加強，智能化和數字化的實現，開關電源正朝著高精度、智能化、數字化的方向發展[1-3]。開關電源通過控制開關通斷的時間比率來維持輸出電壓的穩定，具有體積小、重量輕、效率高、紋波小、噪聲低、易擴容、智能化程度高等特點[4-7]。

本文采用SAMSUNG公司的SC344B0X 的ARM7芯片設計了一種智能化、數字化的可調開關直流電源，對電源主電路實現了全數字控制，輸出電壓可調，并提高了輸出電壓的精度和穩定度。控制算法通過軟編程可以使系統升級，也便于用戶根據各自的需要靈活地選擇不同的控制功能。

1 電源系統的總體設計

電源系統的設計要求是:工頻電源交流220 V輸入，直流電壓可調輸出10~2 000 V，輸出電流小于100 mA，用戶可以使用鍵盤隨時更改輸出電壓，顯示屏上顯示當前的工作狀態。根據要求設計的電源系統由電源電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。

圖1 智能數字開關電源總體設計

電源電路部分主要包括整流濾波、BUCK變換器、推挽式直流變換器、濾波器，把工頻電源轉化成所需要的直流電源。控制電路部分主要包括ARM7控制單元、電壓分壓反饋取樣、鍵盤/顯示，根據用戶的輸入參數來調整輸出的直流電壓，并把當前的工作狀態顯示出來。EMC保護用來消除工頻電源中的噪聲干擾，保護系統電路不被損壞。

2 電源電路部分的工作原理及設計

2.1 整流濾波及BUCK變換器的設計

整流濾波把工頻的交流電源變成直流電源，其電路如圖2所示，輸入/輸出的波形如圖3所示。為了提高整流效率，采用全橋整流，整流橋硅使用性價比高的KBP3510，2個400 V的47 μF電容并聯，輸出直流電壓Uo約為300 V。

圖2 整流濾波電路

BUCK變換器又稱降壓變換器，它是ARM根據當前輸入的參數和反饋電壓，產生 PWM1，使用IGBT集成驅動器來驅動主電路中的IGBT，由于占空比的變化控制了輸出電壓的值，電路如圖4所示。BUCK變換器必須工作在連續工作狀態，則電感L的臨界值為L=(Uo1)22Po1fs(1-D)。由于電源系統輸出功率為150 W，則 Po1>150 W，取Po1=200 W且D=Uo1Uo，fs=100 kHz;Uo1的值在2~200 V之間可變，則可得;L=(Uo1)2400×105(1-Uo1300)×106 μH，其關系曲線如圖5所示。所以當L>340 μH，電容C3為500 V的470 μF，就可以保證變換器保持連續工作狀態。

圖3 輸入/輸出電壓波形

圖4 BUCH 變換器電路

圖5 U01與L關系曲線圖

2.2 推挽式直流變換器及濾波器的設計

由于電源的輸出功率小于200 W，采用推挽式直流變換器可以滿足此要求。如圖6所示，S1和S2是IGBT，它們交替導通，每個開關導通比為50%，S1，S2導通分別由PWM2，PWM3控制，PWM2，PWM3是ARM給出的控制信號。S1，S2的作用是在高頻變壓器T的初級產生對稱的交變方波，當S2導通(S1截止)時，T的磁芯中磁通上升，當S1導通(S2截止)時，T的磁芯磁通下降。在次級產生一個變電壓，經D1，D2整流后，便得到直流的輸出電壓Uo2，在理想狀態下 Uo2=Uo1NsNp，Np，Ns分別為變壓器的初級和次級繞線的匝數。因為與Uo1相連的初級繞組上的電壓反射到初級繞組的另一半上，所以S1或S2在不導通時，兩端的電壓為2Uo1，所以IGBT耐壓要大于2Uo1，即IGBT的耐壓大于400 V。

圖6 推挽式直流變換器

在高頻上，變壓器通常采用導磁較高的鐵氧體磁芯或鈹莫合金鐵芯等磁性材料，其目的是為了獲得大的勵磁電感，減小磁路中的功率損耗，使之能以最小的損耗和失真傳輸具有寬頻帶的脈沖能量。本文采用PQ型鐵氧體磁芯，內芯為圓柱，繞線方便同時也便于繞成蜂房式線圈以減小分布電容，且沒有棱角，高壓時不易打火擊穿，次級邊的匝數不超過2 000圈，初、次級的匝數比為1∶12。

由于高壓變壓器的匝數多，初次級之間的耦合度較強，且寄生電容大，它的輸出波形接不連續，波形如圖7所示。因此輸出的電壓要有濾波器，才能得到比較穩定的電壓。濾波器的設計如圖6所示，電容耐壓3 kV，容量為470 pF。

圖7 Uo2的輸出

3 ARM控制系統及其軟件實現功能

該系統采用的ARM是SAMSUNG公司的SC344B0X芯片，是一款低價格、高性能的ARM芯片，擁有出色的外設模塊 ，適用于工業控制、 生物識別、多媒體監控、網絡流媒體和智能電器等[8-9]。其主要特點有:

(1) ARM7TDMI內核，支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件;帶有8 KB高速緩存器，主頻可達66 MHz;

(2) LCD控制器，可以支持256色STN，且LCD有專用DMA;

(3) 5個PWM定時器，1通道內部定時器;

(4) 16位看門狗定時器;

(5) 8通道10位ADC;

(6) 71個通用I/O口，8通道外部中斷源。

采用SC344B0X所設計的系統，幾乎所有的指令都可以在20 ns內完成，配合強大的指令運算功能，很容易實現各種控制算法及高速采樣，為了減小系統的靜差，采用了閉環來實現對整個系統的控制。

該電源系統中ARM的主要功能及軟件實現如下:

① 產生PWM波。PWM1用于對BUCK電路中的IGBT的驅動。根據輸出采樣，設定和調整定時器中周期寄存器的值和比較寄存器中的值來改變輸出PWM1波的周其期和脈沖寬度。PWM2，PWM3設定周期為50 kHz的彼此交互的方波。

② 實時采樣。采用SC344B0X 中集成的8路10位的ADC 轉換電路實現電壓、電流實時采樣，每一通道的最小轉換時間為500 ns，通過采樣模塊MAX122，將采樣信號轉換為2407 的ADC 所需的0~3.3 V電平，在1個開關周期中，將采樣80 次(開關頻率為50 kHz)，采樣后，通過軟件編程調整驅動BUCK中電路中的IGBT管的PWM1 波形，達到穩壓的目的，同時當輸出電壓、電流過高或欠壓時，ARM調用相應的子程序來處理突發事件，起到保護作用。

③ 軟件編程時設置看門狗電路防止死機。

4 結 語

本文在上述分析的基礎上，設計出一臺基于ARM智能數字控制技術的開關電源。電源的指標滿足性能要求:輸出電壓連續可調、紋波系數低于0.5%、輸出電壓穩定度小于0.3%。該電源現已投入使用，運行良好。

參考文獻

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