基于單片機的開關線性復合電源

李向麗，漆漢宏，魏艷君，馬 艷

LI Xiang-li, QI Han-hong, WEI Yan-jun, MA Yan

（燕山大學 電力電子節能與傳動控制 河北省重點實驗室，秦皇島 066004）

0 引言

直流電源通常可分為直流線性電源和開關電源。線性電源的主要優點是穩定性好，主要缺點是效率較低。開關電源的效率高，但穩定性不如線性電源。因此，對穩定度要求較高的場合，線性穩壓電源依然是首選[1,2]，可見兩種電源各有其優勢及缺陷。針對這一問題，本文設計了一種在高精密儀器領域適用的基于開關線性復合技術[3]的開關線性復合式雙穩電源，其基本原理是將線性電路與開關電路的優勢互補，在總體上提高電源系統的性能。

為了實現低紋波、高穩定性的輸出，以微控制器ATMEL89C52為核心，采用編碼器輸入設定、液晶顯示、高精度的運放調節、高分辨率的串行A/D和D/A采樣處理等技術進行準數字化的控制和測量，實現了連續可調的高精度、低紋波恒壓源或恒流源輸出，且輸出紋波系數在10-3～10-5之間，達到了高精密儀器使用電源的要求。

1 主電路拓撲及原理

電源功能要求：電源輸入：220V單相交流；輸出電壓：0V 15V連續可調；輸出電流：0A～5A連續可調。性能要求：紋波系數：δ≤1‰。

電源的主電路如圖1所示，由以下部分構成：交流輸入、工頻變壓器T、整流橋D、預調節器S1、電容濾波器C、串聯調節器S2和直流輸出。

預調節開關S1和串聯調節開關S2都選用型號為IRFP150 MOSFET管。其中預調節開關S1采用矩形波集成移相觸發器TCA785控制，工作在開關狀態，通過預調節開關的調節，電容濾波后保持串聯調節器S2上穩定的低壓降，而串聯調節器S2工作于線性狀態，通過改變S2的導通壓降來調節輸出電壓。

圖1 主電路圖

2 控制電路與數字顯示的設計

為了實現高速響應控制，控制電路采用模擬電路進行控制，其電路成熟、應用方便、實時性好。實現數字顯示采用ATMEL公司的8位微處理器89C51。其控制電路和數字顯示電路框圖如圖2所示。

圖2 控制與顯示電路框圖

輸出電壓/電流的調節過程：通過單鍵飛梭設定電流或是電壓的給定值，經過微控制器、光耦隔離、DA轉換器、模擬開關送到電壓或電流調節器與輸出反饋電壓或電流進行比較、通過PI調節器后控制串聯調節開關S2，通過改變S2的導通壓降來調節輸出電壓或電流值。

顯示輸出電壓/電流：檢測實際輸出的電壓/電流，通過運算放大器差分輸入，單端輸出，經過模擬開關的選擇、再經過AD轉換器把模擬的電壓(電流)信號轉換成相對應的數字量經過光耦隔離送入微控制器，微控制器進行數據處理后通過液晶顯示出實際的輸出電壓(電流)值。

3 軟件設計

本系統以AT89C52處理器為核心，采用模塊化設計，用C語言編寫A/D和D/A以及液晶顯示程序，顯示電壓或電流給定值和實際輸出電壓或電流值。圖3為主程序流程框圖。

應用軟件實現的功能主要包括以下兩個方面： 1)完成A/D和D/A的轉換；2)控制LCD顯示。

圖3 主程序圖

3.1 DA及AD轉換

DA轉換采用16 位精度的單通道低功率的電壓輸出DAC芯片 DAC7631。D/A子程序流程圖如圖4所示，由單鍵飛梭給定，單片機控制送給D/A。當輸入端SDI的信號為9 V，D/A參考電壓為2.5 V，實際測得輸出VOUT為1.52 V，滿足誤差要求。

AD轉 換 采用20位ADC芯 片LTC2420。子程序流程如圖5所示。當輸入值為1.5時，通過理論計算轉換后所得十六進制數應該為99999H，而實驗測得A/D的輸出端為98226H。滿足誤差要求。

圖4 D/A子程序流程圖

3.2 LCD顯示

本設計中，采用型號為MD12864A的液晶模塊顯示子程序流程圖如圖6所示。

圖5 A/D子程序流程

4 實驗研究

對以上設計的復合電源進行了實驗研究， 圖7和圖8分別為恒壓源和恒流源輸出時的波形。從上倒下依次為為預調節器的輸入電壓、串聯調節器的輸入電壓和系統輸出電壓（電流）。從圖7以看出，輸出電壓為9.6 V時，電壓的峰-峰值為9.6 mV，計算得到此時輸出電壓的紋波系數為δ=0.94‰。圖8為流為1.8 A時，電流的峰-峰值為1.78 mA，此時輸出電流的紋波系數為δ=0.98‰。

由系統實驗結果可知，輸出電壓或是電流的紋波系數都小于1‰，滿足設計要求。

圖6 LCD顯示子程序流程

圖7 恒壓源模式下的波形

5 結論

本文在比較開關電源和線性電源特性優缺點的基礎上，針對精密儀器所需電源的要求設計了一種低紋波、高精度、準數字直流開關線性復合電源。它由相位控制預調整開關和串聯調節開關組成，該相位控制預調整器通過保持串聯調節器穩定的低壓降而把功耗減到最小。同時采用高精度器件設計了控制電路，實現高精度，低損耗。最后通過實驗驗證，達到了低紋波的要求。

圖8 恒流源模式下的波形

[1]張小林, 冉建橋, 李賢云, 郭麗萍.我國開關電源發展的思考[J].微電子學, 2004, 34(4)∶ p402-406.

[2]韋和平.現代電力電子及電源技術的發展[J].微電子技術, 2005,18∶ 102-104.

[3]宋鑫欣,王林,于海鷹, 等.一種實用的精密復合式開關穩壓電源的研制[J].現代電子技術, 2004, 13∶ 17-19.