基于单片机的智能开关电源

1基于单片机的智能开关稳压电源摘要本设计的核心是利用TL494驱动芯片设计一个半桥式逆变的开关稳压电源，通过单片机电路对开关稳压电源的输出电压进行采样显示和对输出电压大小进行控制。基本电路可以分为输入保护电路、开关电源电磁干扰（EMI）抑制电路、输入整流滤波电路、驱动电路、半桥逆变电路、输出整流滤波电路、过压保护电路、电流反馈电路、取样电路、线性调压电路、辅助供电电路和单片机控制电路等。本设计采用的是220V/50Hz市电输入，主电路则是输入市电电压经过滤波整流得到308V左右的直流电压，该电压经过半桥逆变，再经过输出级电路全波整流和电感输入式滤波电路滤波后输出。单片机控制电路采集输出端电压并经过内部程序处理后送给LCD1602显示，当然如果采样回来的电压大于单片机内部设置的电压过压保护值时，单片机会关断工作信号，以此使得TL494不能输出驱动脉冲信号，从而使整个电源电路不输出电压；单片机也可以设置基准电压来控制电源的输出电压大小。关键词开关电源，单片机，电压调节，显示.1引言本设计由两部分电路组成：单片机控制电路和开关稳压电源电路。开关稳压电源电路是将220V/50Hz交流市电经过EMI滤波电路和输入整流滤波电路获得一个直流电压、由TL494及其外围电路构成的驱动电路驱动两个MOS开关管轮流导通，两个开关管与开关变压器构成的是半桥式逆变电路，在驱动电路和半桥逆变电路的作用下，输入整流获得的直流电压再次被变换为交流电压；开关变压器输出的交流电压经过全波整流、电感输入式滤波获得输出端前级电压；在电路的输出端采用MOS管作为线性调压管调节最终的输出电压大小，其栅极由单片机控制电路输出电压进行控制。开关稳压电源电路通过对输出端电压大小采样反馈进行过压保护。单片机控制电路能够对开关稳压电源电路输出端电压采样显示，也可以对开关稳压电源电路输出端电压大小进行设置。另外，单片机控制电路也可以对采样回来的电压与过压保护基准值进行比较，如果判断其大于过压保护基准值就使开关稳压电源电路输出电压为零。再者，单片机控制电路也可以控制开关稳压电源电路的启动工作。2设计技术指标2.1本设计实现的技术指标①输入电压：220V/50Hz市电；②输出电压：0V～+50V之间可调；③输出电流可调节变化（最大5A）④输出电压纹波：≤1%⑤单片机可对开关稳压电源电路输出电压作显示、调节和对开关稳压电源电路作输出过压保护。22.2本设计的创新点本次设计的开关电源部分电路采用的是半桥式逆变，芯片采用的是TL494双端驱动信号输出芯片，所以电路的转化效率和保护方面比单端式逆变电路做得好；另外本次设计加了单片机智能控制电路部分，对于电路的控制和保护，人性化设计和使用方面更加完善。电源设计一定要考虑它的转换效率和它的稳定性，如果能再加以智能控制和显示则更加完美，未来的电源行业肯定会朝着电源的智能化方向去设计！3设计方案分析3.1系统电路设计方框图本设计的基本原理框图如图2.1所示，电路可以大概分为输入保护电路、开关电源电磁干扰（EMI）抑制电路、输入整流滤波电路、驱动电路、半桥逆变电路、输出整流滤波电路、过压保护电路、电流反馈电路、取样电路、线性调压电路、辅助供电电路和单片机控制电路等。EMI滤波比较后输出控制PWM的输出辅助供电整流滤波差模滤波PWM控制半桥逆变整流滤波线性调压电压采样单片机显示及控制T1辅助供电输出电压基准设置D/AA/D转换后送入单片机D/A输出调节电压AC220V输入图3.1本次设计的系统框图注：对于单片机控制电路和开关稳压电源电路原理图可以在附录中查看3.2分块电路原理3.2.1电源前级电路电路由防雷单元、电磁干扰滤波器、整流滤波单元组成。图3.2电源前级电路①电磁干扰滤波器（EMI）：C1、C2、C3、LIB、C4、C5、C6组成的滤波网络主要是对输入电3源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。②整流滤波单元：交流电压经BRG1整流后，经C7、C8滤波后得到较为纯净的直流电压。若C7容量变小，输出的交流纹波将增大。输出平均电压和平均电流：iOUtdtUU22)()sin(2101式（3.1）LiLOORURUI9.011式（3.2)二极管参数：112.1oRMUU式（3.3）LiOVDRUII45.0211式（3.4）输出电压脉动系数：%67/22)3/(2422UUS式（3.5）3.2.2驱动电路驱动电路部分产生KHzf20；siodP50er；494.0maxD的两个相位相反的方波驱动信号，该信号加在MOS开关管上驱动两个开关管轮流导通。由于开关管是MOS管，MOS管是电压控制型器件，需要在栅极上提供4V以上的驱动电压，当电压为15V时MOS管导通很好。本电路将TL494输出的两个驱动信号加在由8050和8550构成的两组柱腾式管子上，再经过驱动变压器（目的是隔离驱动电路和主电路，同时提高驱动电压）将其电压幅度提高后加到MOS开关管上。参照TL494芯片资料进行电路设计。我将TL494输出控制端（OUTPUTCONTROL）直接与Vref基准电压输出端相连，所以驱动输出波形的频率将会是Rt/Ct上的振荡频率的一半。对于Rt和Ct大小的确定，根据公式KHzCtRfosc50*t/.11所以我取Rt=22K取Ct=1nF对死区电压进行设置：死区控制端可以接参考电压（范围在0—3.3V之间），这样就可以在输出脉冲上产生附加的死区时间。我采用对Vref输出的5V基准电压按电阻分压比取出一个电压，Udt=[10k/(10k+80k)]*5V=0.5V。3.2.3输出整流滤波电路在开关稳压电源电路中，开关变压器次级含有中心头，输出采用全波整流方式，整流之后再采用电感输入式滤波电路对输出电压进行滤波。整流二极管采用肖特基二极管，在二极管两4端并联了一个RC吸收网络，作为保护二极管用。储能电感L的临界值CL的计算。流过储能电感L的电流不能突变，这是稳压电源所要满足的最基本条件。该电流只能近似地线性上升或线性下降，而且电感量越大则电流的变化起伏越平滑；电感量越小则电流变化起伏越陡峭。当电感量小到一定值时就会发生这样一种情况：在功率开关V截止瞬间，电感L中存储的能量也刚刚释放完毕，这时的0minLI，此时储能电感L的电感量就成为临界电感量CL。那么当储能电感L的电感量小于这个临界电感CL时，假设功率开关V尚处于截止状态，但是储能电感L中的电流已经变为零，于是电感上的电压也变为零。功率开关V及储能电感L上的电压就会发生台阶式地突变。作为一种稳压电源在有负载时是绝不允许出现这种情况的，因为这种情况将引起电源稳压特性的明显变化，甚至产生附加的振荡。另外，对于负载系统来说，也是绝不允许出现这种情况的，因为这种情况将会使负载电路出现间断性的掉电，最后引起负载电路丢失信息或工作不正常。所以，在设计降压式开关稳压电源电路时，应该将储能电感L的电感量选择大于临界电感值。根据公式max12min)(LOLIttLUI式（3.6）offCOCOLTLUttLUI)(12max式（3.7）由CL的定义可知，只要求出功率开关V截止瞬间使0minLI时的储能电感L的电感量，即可求得临界电感量CL。即2minmaxLLOIII式（3.8）oLII2max式（3.9）所以HtIULoffoOC4.1021024.20526.5026式（3.10）取HLLC2002式（3.11）3.2.4过压保护电路在开关稳压电源电路中通过采样电阻获得一个电压，该电压被送入TL494芯片的误差比较器的正端，当输出电压超过50V时，也就是采样回来的电压超过2V时TL494会调整输出驱动信号的占空比，从而调整输出电压。3.2.5输出电压调节和采样反馈电路输出电压大小通过电路上所加的MOS管做线性调节，通过控制MOS管的栅极控制电压可以控制MOS管的导通程度，从而调整MOS管D、S两端的电压降，进而获得需要的输出电压。在本电路中控制该MOS管导通的栅极电压由一个直流电压源模拟提供，但整个设计思想下该电压是由单片机产生数字信号，再经过D/A转换成模拟电压以此控制电源电路输出电压。图中还通过电阻分压电路进行电压采样，该电压最终是传输给单片机，单片机接收到该电压后对其进行处理后做出显示。53.2.6取样供给单片机显示处理电路这部分电路设计的目标是按照一定的比例取回一个电压，电压信号经过放大，跟随器隔离等电路，外部通过接口用信号线传输给单片机，单片机接收到此数据后按照一定的对应关系函数进行处理后送给液晶显示屏显示出与之对应的真正输出电压。由于输出电压在0--50V之间变化，是一个宽范围的电压调节，所以我按照“采样电压:输出电压=1:10”的比例对输出电压进行采样。这部分电路采样回来的电压在传输给单片机时是通过信号线传输的，由于传输过程的影响，可能会导致电压干扰，所以对于信号传输的信号线的选择和PCB电路布局布线很重要。3.2.7开关变压器设计电源技术要求：输入电压：inU:220V/50Hz输出电压：oU:0--50V输出电流：axmI:5A开关变压器技术要求：开关变压器设计成含有一个初级线圈和一个带有中心抽头的次级线圈构成的变压器初级直流输入电压:pU=310V工作频率：kHzf25最大工作比：maxD=0.494⑤输出功率：Po=50V×5A=250W⑥设转换效率为：=90%铁芯选用80-20镍锌铁氧体材质的C型铁芯，工作磁通密度TBW5.0,采用AP法设计。计算总的视在功率TP设二极管和线路上的电压降为0.6VWIUPPOOoT7502)19.01(5)6.050(2)11().60(2)11(max式（3.12）计算AP值取4.0OK0.4fK(方波)TBW5.06kHzf25根据资料查询得，C型铁芯允许温升Co25时，Kj=323X=-0.14)(4.11)323.501025.04.4010750()10(44.101134114cmKBfKKPAPXJWfoT式（3.13）加10%的裕度，由资料查询取型号为CL-62铁芯，其参数为：)(30.14cmAPcmMLT9.42)(36.0cmAe2)(63.3cmAW2)(.964cmAScmMPL.99kgWfe027.0④计算初级绕组的匝数037.28736.05.010250.41031010344eWfPPABfKUN式（3.14）所以取)(287匝PN⑤计算初级绕组电流)(896.09.0310250AUPIPOP式（3.15）⑥计算电流密度214.0/8.6374)75.0(323)(）（cmAAPKAAKJXJXeWJ式（3.16）⑦计算初级绕组裸线面积2)(024.008.637496.80cmJIAPXP式（3.17）7根据导线规格表查询得最接近线号：AWG#232)(0259.00cmAXP计算初级绕组的电阻0.666cm式（3.18）937.0106662879.410))((66cmNMLTRP式（3.19）计算初级绕组铜损耗WRIPPPPCU752.0937.0896.022式（3.20）⑧计算次级绕组匝数（中心抽头至两端）VUS6.506.05084.463106.50287PSPSUUNN式（3.21）所以取)(47匝SN⑨计算次级绕组裸线面积中间抽头变压器的OI需再乘0.707校正因数2)(094.008.6374707.05707.0cmJIASXS式（3.22）根据导线规格表查询得较为接近的导线AWG#172)(1039.00cmAXS计算次级绕组铜损耗8.165cm038.0108.165479.4