單片機控制的開關電源系統的設計

林竹清

摘 要：本文闡述了一種單片機控制的智能型開關電源的設計方案，STC89C51 單片機的應用，開關電源目前的發展狀況。根據現有電源技術，為了適應當前電子設備對電源的實用、高效、節能、智能和環保等性能的需求，研究實現了以STC89C51 單片機為核心，能通過外置的鍵盤，改變輸出電壓的大小，使得步進可調，輸出的電壓大小通過 LCD1602 液晶屏顯示。

關鍵詞：單片機；開關電源；數控

電源是電子產品的能量來源。隨著電子產品的廣泛應用，電源的作用也日漸凸現它的重要性。傳統的線性電源具有效率較低等缺點，而開關電源具有高效率、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化等優點。本文設計的智能開關電源通過 STC89C51 單片機產生的 PWM 波控制開關管的工作狀態，經過一系列的電源控制芯片，來改變其后的輸出。其效率遠超線性電源，可達80%以上，如加入計算機控制，還可實現智能化[1]。同時，在電路設計上運用了適當的電壓調整電路，自動修正輸出誤差，并且還使用了保護電路，彌補了傳統穩壓電源的不足。

1工作原理

開關電源是指開關管工作在導通和截止狀態。如圖1所示的開關電源工作原理是：預設一個標準電壓為10V，但是因為外部供電不穩定原因引起輸入電壓Vi會有上下浮動，導致輸出Vo也將會上下浮動，這樣，所采集到的電壓就一定不是10V，假設為9V，誤差為1V，系統比較處理之后，PWM電路會根據這個差值數據調節開關管導通的時間和截止時間的比值，使輸出電壓盡量和標準電壓相一致。例如，采樣電壓偏小時，系統提高占空比使開關管工作在導通狀態的時間長一些，這樣使得輸出電壓增大。同理，當采樣電壓偏大時，系統降低占空比使開關管工作在截止狀態的時間長一些，這樣使得輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩定[2]。

圖1 開關電源原理框圖

2總體結構的設計

外部電流通過二極管組成的濾波電路和整流電路后，從7812芯片獲得12V電壓，它作為開關變換電路的輸入電壓。之后，電壓再經過7805穩壓芯片得到+5V電壓，提供給單片機和開關電路中的控制芯片工作。另外單片機比較從輸出端采集來的電壓值和由鍵盤輸入的電壓值之間的差量，利用PID算法程序重新調整脈寬使輸出電壓值無限趨近于設定的電壓值。單片機通過ADC0832定時采樣輸出端的電壓進行比較計算輸出調整過的PWM脈沖，從而控制MOS管的導通和截止。在這個開關電源中，單片機會根據鍵盤輸入與采樣電壓的差值，用戶可以根據需要從鍵盤步進改變電壓大小，更新脈寬，保證相應的電壓從電源輸出。開關電源的系統框圖如圖2所示。

圖2 開關電源系統框圖

3硬件電路設計

3.1供電電路設計

市電220V經過變壓器降壓后，再經過橋式全波整流電路整流變為18V的直流電，對該電壓通過大小電容組合成的簡單濾波網絡濾波之后，作為Buck開關電路的工作電壓。再經過LM7812穩壓芯片得到12V的直流電壓，作為驅動電源IR的供電電源，同樣的也為開關變換電路中的PWM控制芯片提供工作電壓。然后，將以上電壓通過7805穩壓芯片得到10V的電壓，作為系統中的單片機的電源。

3.2開關變換器設計

根據方案分析得出的結果，開關變換器的電路設計思路為：由單片機產生的PWM脈沖輸入PWM控制芯片，驅動開關管。另一路由供電電路輸入的12V直流電壓經過開關管輸出，在通過續流二極管和儲能電感以及電容濾波后，輸出所需要的直流電壓。

3.2.1 功率開關管的選擇

開關管是整個電源主要的工作器件，它的選型首先要考慮到漏極到源極可流過的電流ID多大，其次，漏極和源極的導通電阻要盡可能的小，以減小開關管的損耗，第三，還要考慮到漏源的擊穿電壓。這里，選取開關管為IRF530N，它具有低熱阻，快速開關轉換，低接通阻抗（RDS（ON） ≤ 110）的特性。參數：VDSS = 100 V，ID = 17 A[3]。

3.2.2 MOS管驅動芯片的選擇

單片機輸出的PWM控制信號并不能直接驅動MOS管（驅動電流只有毫安級別），因此要使用專門的驅動芯片。依據電路設計標準，選用IR2104S芯片。IR2104S是半橋驅動器，芯片內部已經接有下拉電阻到地，其控制端/SD，高電平有效。PWM信號從IN輸入，LO是低端MOS管驅動輸出，HO是高端MOS管驅動輸出。IR2104的VCC由5V電源供電電路直接提供，最大工作電壓可達到600V，死區時間為520 ns，是同步Buck電路MOS管驅動的常用芯片。

3.2.3 開關變換電路總圖

根據以上元件選擇要求，開關變換電路圖設計如圖3所示。單片機輸出的PWM脈沖和控制信號，經過IR2104S輸出互補的PWM波，驅動開關管正常工作。電路輸入的12V直流電壓經過開關管Q1，通過儲能電感以及電容濾波后，輸出所要的直流電壓。Q2是場效應管作為續流二極管，R3是精密電阻，可經過MAX4080擴展為電流采樣電路。

在IR2104S中，1管腳作為12V供電，2管腳是PWM脈沖信號輸入，3腳是控制信號輸入，4腳接地，5腳是低電位，6管腳控制輸出，7腳高電位，8管腳作為保護。

圖3 開關變換電路的原理圖

3.3 控制電路設計

控制電路采用的是STC89C51芯片。設計中使用到了單片機最小系統。

（1）振蕩電路：本次設計采用的是24MHz石英振蕩電路，外接電容C3、C4選擇22PF。

（2）復位電路：單片機復位電路中，電阻R2取1k，電容C2取22uF，以確保復位更加可靠。

3.3.1 采樣電路設計

反饋電路使用的是ADC0832采樣輸出電壓，ADC0832只能轉換0到5伏的電壓，當要采集大的電壓時，可通過電阻分壓再采樣。單片機的中作為片選端，低電平有效采取P3.5，作為模數轉換的時鐘采取P3.3，讀入數據采取P3.4。

ADC0832是單5V供電，兼作基準電壓，具有2路單端也具有1路差分輸入，串行接口8位逐次逼近A/D轉換芯片。ADC0832管腳排列如圖4所示。CH0模擬量輸入通道0， CH1為模擬量輸入通道1；CS為片選信號輸入端，高電平模數轉換停止，低電平則有效。當每一次的模數轉換，CS由高變低輸入控制字信息。CLK為時鐘信號輸入端；DO為數據信號串行輸出端；DI為數據信號串行輸入端。數據在CLK的下降沿移出；在CLK的上升沿移入，VCC接+5精密電源， GND為接地端[4]。

圖4 單片機最小系統原理

3.3.2 液晶屏顯示電路設計

本系統中采用LCD1602液晶屏實現預置電壓、輸出電壓的顯示。其中，PO口作為數據端，數據端上拉排阻接到VCC。P2.5—P2.7口作為液晶屏的控制端。

3.3.3 鍵盤輸入電路設計

本次設計鍵盤采用4個按鍵，由軟件定義功能分別為輸出電壓加/減0.1V和加/減1V，行鍵盤與單片機的P1.0、P1.1相連，并上拉電阻到VCC，保證輸入穩定。列鍵盤與單片機的P1.5、P1.4相連。

3.4 輔助電路設計

3.4.1 輸出分壓電阻的設計

本次設計的開關電源的輸出電壓最大有15V，而ADC0832芯片只能采樣0—5V的電壓，因此需要設計分壓器。設檢測電流為1mA，模數轉換器的基準電壓為5V，輸出電壓最大10V，分壓器的下臂電阻計算如下：

忽略電阻的誤差，這樣分壓器上臂電阻為：

實際中，為了防止大電流，分壓器上臂選取的電阻阻值要稍大，同時為了減小電流在分壓臂上的損耗，電阻瓦數應適當降低，這里選取10 ，1/16W的電阻。

3.4.2 輸出保護電路的設計

在這次設計中，采用過電流保護的機制。其工作原理為：通過公式

（Io為負載電流，Vo未過流檢測電壓），當開關電源負載電流

時，三極管作為過流控制管，過流控制三極管導通，為了實現保護功能，需要把電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，將開關電源負載短路，觸發晶閘管導通。

4軟件程序設計

下面我們將對本次智能開關電源控制程序從如下幾個子程序進行具體的闡述與分析。這些子程序主要包括：（1）鍵盤掃描程序；（2）ADC0832采樣程序；（3）PWM脈沖產生程序；（4）LCD1602顯示程序；（5）PID控制程序。

4.1 鍵盤掃描程序

在本次智能開關電源鍵盤掃描程序設計中，我們采用的鍵盤掃描方法是：首先把所有的行所對應的口預置為高電平，所有的列所對應的端口預置為低電平。通過不斷查詢所有行所對應口的電平高低變化即可判斷出此行是否有按鍵閉合；然后檢查所有行線狀態，如果不全為1，則按下的鍵在這一列，而且是在與低電平行線相交交點上的那個鍵；如果全為1，則按下的鍵不在此列。

4.2 A/D采樣程序

在本次設計中，ADC0832采樣0到5V電壓對應數字量為0到255，所用的變換程序為： （r為模擬的電壓值，X為采樣值）。

4.3PWM脈沖產生程序

本次智能開關電源設計中使用定時器0產生PWM脈沖，工作模式2，PWM脈沖輸出口為P2^0。計算預置計數值在工作方式2的定時時間計算公式為

（4-1）

上式中 是計數初值。在本次設計中所采用的晶振為24MHz，這樣可以計算出，一個機器周期為0.5 。設計數初值為x，則有：

（4-2）

根據本次設計開關電源的工作頻率，設定定時器初值為 ，即經過 個振蕩周期后溢出，每個振蕩周期為 。同時設定一個脈沖周期變量pernod，脈沖高低電平時間變量為ton和toff，通過控制ton和toff的值，就可以改變PWM脈沖的占空比。

4.4 液晶屏顯示程序

本次設計的液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏。這是一種常見的顯示模塊。它內置192 種字符，具有64個字節的自定義字符RAM。

4.5 PID控制算法

本設計所采用的PID控制策略是增量型PID控制。

PID調節的近似公式為：

（4-3）

其中：ki，kp，kd分別為比例系數、積分系數與微分系數，y0為ADC0832的當前采樣值，這個采樣值實際是每5次采樣值得算術平均值；y1為上一個5次采樣的算術平均值，y2為過去的兩次采樣值，r為目標控制量，u為目標控制量的增量值[5]。

5結論

本文所研究的單片機控制的智能型開關電源是軟件工程技術在電源能量控制方面的一個具體應用。系統以STC89C51單片機為核心，由開關變換電路、采樣電路、鍵盤輸入電路、液晶屏顯示電路、輔助電路等幾大模塊組成，利用閉環反饋控制技術，實現了輸出電壓可調，能源利用率提高，人機交互界面友好的開關電源。

參考文獻

[1] 周邦雄.實用電源技術手冊[M].吉林電子出版社，2004.03.

[2] 王志強.開關電源設計[M].北京市：電子工業出版社，2006.

[3] 劉慶新，程樹英.雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統[J].電子技術應用，2011，（3）：142-145.

[4] 葉慧貞，楊興洲.新穎開關穩壓電源[M].北京：國防工業出版社，1999.1.

[5] 劉勝利.現代高頻開關電源實用技術[M].北京：電子工業出版社，2001.9.