基于单片机的智能开关电源.doc

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与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。
2.2 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 。

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源的电磁噪声与杂波信号进行抑制，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：
式（3.1）
式（3.2)二极管参数：
式（3.3）
式（3.4）
输出电压脉动系数：
式（3.5）

3.2.2 驱动电路
驱动电路部分产生 ； ；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（OUTPUT CONTROL）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
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（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 ，此时储能电感L的电感量就成为临界电感量 。那么当储能电感L的电感量小于这个临界电感 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与储能电感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
式（3.6）
式（3.7）
由 的定义可知，只要求出功率开关V截止瞬间使时的储能电感L的电感量，即可求得临界电感量 。
即 式（3.8）
式（3.9）
所以 式（3.10）
取 式（3.11）
3.2.4 过压保护电路
在开关稳压电源电路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。
3.2.6 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： : 220V/50Hz
‚ 输出电压： : 0--50V
ƒ 输出电流： : 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: =310V
ƒ 工作频率：
„ 最大工作比： =0.494
⑤输出功率： Po=50V×5A=250W
⑥ 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 ,采用AP法设计。
 计算总的视在功率
设二极管和线路上的电压降为0.6V

式（3.12）
‚ 计算AP值
取
(方波)

根据资料查询得，C型铁芯允许温升时， Kj=323 X=-0.14
式（3.13）
ƒ 加10%的裕度，由资料查询取型号为CL-62铁芯，其参数为：

④ 计算初级绕组的匝数
式（3.14）
所以取
⑤ 计算初级绕组电流
式（3.15）
⑥ 计算电流密度
式（3.16）

⑦ 计算初级绕组裸线面积

式（3.17）

根据导线规格表查询得最接近线号：
AWG#23

计算初级绕组的电阻
式（3.18）
式（3.19）
计算初级绕组铜损耗
式（3.20）
⑧ 计算次级绕组匝数（中心抽头至两端）

式（3.21）
所以取
⑨ 计算次级绕组裸线面积
中间抽头变压器的需再乘0.707校正因数
式（3.22）
根据导线规格表查询得较为接近的导线
AWG#17

计算次级绕组铜损耗

式（3.23）
式（3.24）
因此 变压器的总铜损耗为（初级+次级）
式（3.25）
在绕制变压器时，应尽量选用多股线，并使多股线截面积与上面所选的AWG#17、23截面积相等。
⑩ 计算在效率下允许的总损耗
式（3.26）
计算允许铁耗
式（3.27）
3.3 单片机控制电路

图 3.3 单片机控制电路
由于在saber软件里面无法仿真单片机电路，所以我在PROTEUS软件里面对电路进行功能仿真。左边电路是通过采样滑动变阻器上的电压变化，将该电压经过ADC0832转换成数字信号后传给单片机，单片机对该数字量进行处理后做出显示。右边电路是对电源输出电压进行线性电压时输出的电压基准，电路过单片机的两个外部中断和两个外部按键，可以调节输出电压的增加或减少；单片机输出的数字信号要经过外部DAC0808转换成模拟电压后输出。图中分别用两个万用表对采样电压和输出的基准电压做模拟显示。另外，在图中单片机左下角的开关电路是电源工作控制按键，当开关按下后表示开启电源工作状态，此时电源的输出端才会有电压输出，单片机也才可以进行电压调节和显示。
4 系统仿真
4.1 电路调试（开关稳压电源电路）
在saber Sketch 中选择元器件，设置好参数，连接电路原理图,具体原理图可以参照附录A 。

4.2 开关稳压电源仿真部分结果

图4.1 TL494芯片C1和C2管脚上输出的驱动波形

图4.2 驱动变压器初级线圈上的波形

图4.3 两个开关管上的驱动电压波形

图4.4 开关变压器初级线圈上的电压波形

图4.5 输出电压调节波形
4.3 单片机控制电路仿真结果

图4.6 单片机控制电路仿真结果
仿真结果说明： 由于无论是Saber软件还是Proteus软件里面都不可能完整地将开关稳压电源电路和单片机控制显示电路连接和仿真出来，所以两个电路中需要的一些参数是用一个模拟值代替的。如上图中所示，左下角的电阻调节的电压相当于开关稳压电源对输出电压采样后传输给单片机控制显示电路的电压。上面的液晶显示屏LCD1602是单片机在对采样回来的电压进行了算法计算后送出的值，其大小和开关稳压电源输出的真实电压值相近。单片机可以通过部程序处理后输出数字信号，数字信号经过D/A转换后转化成一个模拟电压，通过调节电路图上的两个开关按钮可以调节输出的基准电压的大小。
5 电源工作流程与工作状态
5.1 工作流程
① 单片机控制显示板和开关稳压电源板都加上电
② 单片机控制显示板上的开机按键“按下” ，单片机为电源板子输出工作信号，之后开关稳压电源板开始工作。
③ 点击单片机控制显示板上的电压调节按键“增加”或“减少”可以设置开关稳压电源输出电压的大小。
④ 单片机对电源输出端的电压进行采样做出显示。
5.2 故障保护
① 当电源输出端的电压大于50V时，单片机会把采样的值与部过压保护基准值进行比较，之后关断单片机控制显示板上的电源板子工作信号，使得电源板子停止工作，同时，单片机控制显示板也会将输出的电压设置基准调到一个较小值。
② 当电源输出端电压大于保护阈值（50V）时，电源板子本身也可以进行过压保护。
6 结 论
我的设计思想和流程是正确的，已通过电路仿真将设计要求的功能模拟实现：输出电压能够在0--50V变化，单片机能够对电源输出电压进行采样显示，单片机也可以输出基准电压来设置开关稳压电源电路的输出电压大小，单片机还可以对电源电路进行过压保护。
但电路设计中也不乏问题的存在。我在稳压电源的输出调节上不是很理想，会有些问题，似乎是利用TL494的误差比较器对电流进行反馈的电路设计上不是很好。另外，毕竟本设计是利用的软件仿真，而电路实际工作时会受很多环境因素的影响，比如温度，信号干扰，元器件个别性能差异等等，不能完全地反映出电路实际工作状态。另外，如果要让单片机控制电路和开关稳压电源电路能够联合起来完美地工作则需要制作出实物后将两块板子一起调试，不断地调整元器件参数，最后整个电路才能很好地工作。

参 考 文 献

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The intelligent switching power supply base on SMCU
Zhai Pei JianInstructor: Wu Gang

ABSTRACTThe nucleus of this design is to make use of TL494 as driving chip to design the switching power supply circuit, which is a half bridge DC/AC.The SCMU Controlling circuitwill display the output voltage of the switching power supply circuit and protect it if the output voltage is much large.The basic buildups of this design telephone are input voltage safeguard circuit, the EMI circuit, input voltage filtering and rectification circuit, the driving circuit, the half bridge DC/AC circuit, output voltage rectification and filteringcircuit, the output safeguard circuit, the output voltage sampling and feed backing circuit, the output voltage linear adjusting circuit, the assistant power supply circuit and the SCMU Controlling circuit.
This design use the 220V/50 Hz City electric as power supply. The main circuit of this design is using the city electricity after it has been filtered rectification and changed as 308V. Then the voltage is changed as AC voltage by the half bridge circuit again. Then after the full - wave rectification and the inductance input type outputs after filtering the telephone filter after output stage telephone. The SCMU Controlling circuit collects the output voltage and sends it to LCD1602 to display. Certainly, the sampling voltage will be used to compare with the reference voltage, if the sampling voltage coming back is bigger than the reference voltage, then the SCMU Controlling circuit will shut down the work signal, then the TL494 is forced to stopping work, so the whole switching power supply circuit can’t generate output voltage. The SCMU Controlling circuit can also set reference voltage to control the size of the output voltage of the switching power supply circuit.
Key words Switching power supply; SMCU; the voltage adjustment;displays.

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附录A：开关稳压电源原理图（Saber）

附录B：开关稳压电源原理图（DXP）

附录C：单片机控制电路原理图（Proteus）

附录D：单片机控制电路原理图（DXP）

附录E：单片机控制电路PCB板（DXP）

图E.1单片机显示控制板顶层图

图E.2单片机显示控制电路板底层图

附录F：开关稳压电源电路PCB板（DXP）

图F.1开关稳压电源电路板顶层图

图F.2开关稳压电源电路板底层图