基于單片機(jī)的開關(guān)線性復(fù)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(xué) 電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制 河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)電源。線性電源的主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，主要缺點(diǎn)是效率較低。開關(guān)電源的效率高，但穩(wěn)定性不如線性電源。因此，對穩(wěn)定度要求較高的場合，線性穩(wěn)壓電源依然是首選[1,2]，可見兩種電源各有其優(yōu)勢及缺陷。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種在高精密儀器領(lǐng)域適用的基于開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)[3]的開關(guān)線性復(fù)合式雙穩(wěn)電源，其基本原理是將線性電路與開關(guān)電路的優(yōu)勢互補(bǔ)，在總體上提高電源系統(tǒng)的性能。

為了實(shí)現(xiàn)低紋波、高穩(wěn)定性的輸出，以微控制器ATMEL89C52為核心，采用編碼器輸入設(shè)定、液晶顯示、高精度的運(yùn)放調(diào)節(jié)、高分辨率的串行A/D和D/A采樣處理等技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)數(shù)字化的控制和測量，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)的高精度、低紋波恒壓源或恒流源輸出，且輸出紋波系數(shù)在10-3～10-5之間，達(dá)到了高精密儀器使用電源的要求。

1 主電路拓?fù)浼霸?/h2>

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

電源的主電路如圖1所示，由以下部分構(gòu)成：交流輸入、工頻變壓器T、整流橋D、預(yù)調(diào)節(jié)器S1、電容濾波器C、串聯(lián)調(diào)節(jié)器S2和直流輸出。

預(yù)調(diào)節(jié)開關(guān)S1和串聯(lián)調(diào)節(jié)開關(guān)S2都選用型號為IRFP150 MOSFET管。其中預(yù)調(diào)節(jié)開關(guān)S1采用矩形波集成移相觸發(fā)器TCA785控制，工作在開關(guān)狀態(tài)，通過預(yù)調(diào)節(jié)開關(guān)的調(diào)節(jié)，電容濾波后保持串聯(lián)調(diào)節(jié)器S2上穩(wěn)定的低壓降，而串聯(lián)調(diào)節(jié)器S2工作于線性狀態(tài)，通過改變S2的導(dǎo)通壓降來調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖1 主電路圖

2 控制電路與數(shù)字顯示的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)控制，控制電路采用模擬電路進(jìn)行控制，其電路成熟、應(yīng)用方便、實(shí)時(shí)性好。實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示采用ATMEL公司的8位微處理器89C51。其控制電路和數(shù)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(diào)節(jié)過程：通過單鍵飛梭設(shè)定電流或是電壓的給定值，經(jīng)過微控制器、光耦隔離、DA轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)送到電壓或電流調(diào)節(jié)器與輸出反饋電壓或電流進(jìn)行比較、通過PI調(diào)節(jié)器后控制串聯(lián)調(diào)節(jié)開關(guān)S2，通過改變S2的導(dǎo)通壓降來調(diào)節(jié)輸出電壓或電流值。

顯示輸出電壓/電流：檢測實(shí)際輸出的電壓/電流，通過運(yùn)算放大器差分輸入，單端輸出，經(jīng)過模擬開關(guān)的選擇、再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器把模擬的電壓(電流)信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過光耦隔離送入微控制器，微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過液晶顯示出實(shí)際的輸出電壓(電流)值。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AT89C52處理器為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)際輸出電壓或電流值。圖3為主程序流程框圖。

應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要包括以下兩個(gè)方面： 1)完成A/D和D/A的轉(zhuǎn)換；2)控制LCD顯示。

圖3 主程序圖

3.1 DA及AD轉(zhuǎn)換

DA轉(zhuǎn)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(jī)控制送給D/A。當(dāng)輸入端SDI的信號為9 V，D/A參考電壓為2.5 V，實(shí)際測得輸出VOUT為1.52 V，滿足誤差要求。

AD轉(zhuǎn) 換 采用20位ADC芯 片LTC2420。子程序流程如圖5所示。當(dāng)輸入值為1.5時(shí)，通過理論計(jì)算轉(zhuǎn)換后所得十六進(jìn)制數(shù)應(yīng)該為99999H，而實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究

對以上設(shè)計(jì)的復(fù)合電源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 圖7和圖8分別為恒壓源和恒流源輸出時(shí)的波形。從上倒下依次為為預(yù)調(diào)節(jié)器的輸入電壓、串聯(lián)調(diào)節(jié)器的輸入電壓和系統(tǒng)輸出電壓（電流）。從圖7以看出，輸出電壓為9.6 V時(shí)，電壓的峰-峰值為9.6 mV，計(jì)算得到此時(shí)輸出電壓的紋波系數(shù)為δ=0.94‰。圖8為流為1.8 A時(shí)，電流的峰-峰值為1.78 mA，此時(shí)輸出電流的紋波系數(shù)為δ=0.98‰。

由系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，輸出電壓或是電流的紋波系數(shù)都小于1‰，滿足設(shè)計(jì)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(jié)論

本文在比較開關(guān)電源和線性電源特性優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對精密儀器所需電源的要求設(shè)計(jì)了一種低紋波、高精度、準(zhǔn)數(shù)字直流開關(guān)線性復(fù)合電源。它由相位控制預(yù)調(diào)整開關(guān)和串聯(lián)調(diào)節(jié)開關(guān)組成，該相位控制預(yù)調(diào)整器通過保持串聯(lián)調(diào)節(jié)器穩(wěn)定的低壓降而把功耗減到最小。同時(shí)采用高精度器件設(shè)計(jì)了控制電路，實(shí)現(xiàn)高精度，低損耗。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)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(guān)電源發(fā)展的思考[J].微電子學(xué), 2004, 34(4)∶ p402-406.

[2]韋和平.現(xiàn)代電力電子及電源技術(shù)的發(fā)展[J].微電子技術(shù), 2005,18∶ 102-104.

[3]宋鑫欣,王林,于海鷹, 等.一種實(shí)用的精密復(fù)合式開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2004, 13∶ 17-19.