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当一种基于单片机的数控开关电源设计

发布时间:2021-09-14 18:31:10 阅读: 来源:木质纤维厂家

一种基于单片机的数控开关电源设计

摘要:基于单片机的数控开关电源是利用单片机实现对开关电源的输出电压设定、输出电压步进调整、输出电压和输出电流显示等数字控制。本文设计的数控开关电源由两部分组成。开关电源部分采用基于PWM控制的不对称半桥功率变换器,由模拟控制芯片KA3525产生PWM信号经驱动电路实现对功率变换电路的输出电压控制,实现电压的稳定输出。数控部分采用凌阳单片机的D/A输出对KA3525的误差比较器的参考端进行数字给定,实现对输出电压的设定、步进调整和显示等功能。文中给出了系统设计框图,对各部分电路进行了分析,并给出了必要的实验波形,经测试证实设计方法是可行的。将成熟的单片机技术与现有的开关电源技术进行简单1、弹簧疲劳实验机的工作环境结合实现数控,值得借鉴。

1、引言

现实的生活和实验中,常常要用到各种各样的电源,电压要求多样。如何设计一个电压稳定,输出电压精度高,并且调节范围大的电压源,成了电子技术应用的热点。在市面上,各种电源产品各式各样,有可调节的和固定的。但是普遍存在一些问题,如转换效率低,功耗大,输出精度不高,可调节范围过小,不能满足特定电压的要求,输出不够稳定,纹波电流过大,并且普遍采用可调电阻器调节,操作难度大,易磨损老化。

针对以上问题,本文采用基于KA3525 PWM控制芯片的不对称半桥式功率变换器,并采用16位凌阳单片机作为数控核心,通过其内置的D/A输出调制PWM,提高了电源的输出精度和效率,并且方便使用者操作,实现了基于单片机的数控开关电源。

2、基于单片机的数控开关电源系统组成

本数控开关电源,采用凌阳单片机实现对基于PWM控制的不对称半桥式功率变换器的数字控制,实现直流输出电压0V~40V设定和步进值为1连续调整,最大输出电流为2A。同时实现了对输出电压和输出电流的显示等功能。系统框图如图1所示。系统主要包括: PWM控制的开关电源模拟电路部分和凌阳单片机组成的数控部分。

图1 基于单片机的数控开关电源设计系统框图

3、基于PWM控制的开关电源设计

PWM控制的开关电源电路原理如图2所示。主要包括EMI滤波电路、整流滤波电路、功率变换电路、驱动电路、输出电路、稳压电路、过流保护电路以及辅助电源电路等。

图2 PWM控制的开关电源原理图

3.1 EMI滤波电路

EMI滤波器如图3所示电路。该滤波器有两个输入端、两个输出端和一个接地端。电路包括快速保险丝F1,泄放电阻R1,共模电感L1、L2,滤波电容C1、C2、C8、C9。泄放电阻R1可将C1上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;排除方法:更换刚度适合的稳压弹簧或清洗脏物断电后还能使电源的进线端不带电,保证使用的安全性。共模电感L、L对差模干扰不起作用,对共模信号呈现很大的感抗。C1、C9主要用来抑制差模干扰。C2、C8跨接在输出端,经过分压后接地,能有效的抑制共模干扰。

图3 EMI滤波电路

3.2整流滤波电路

常用整流电路有半波、全波、桥式、倍压整流等形式。本文采用桥式整流电路,电路如图4所示。图中 C3、C10两个电容分别用于滤除整流后的高低频成分。

图4 整流滤波电路

3.3 功率变换电路

功率变换电路采用不对称半桥功率变换器,如图5所示。图5(a)所示电路开关管M1导通、M2截止,电容C4放电。图5(b)所示电路开关管M2导通、M1截止时,电容C4充电。图中R1、R2、R6、R7在开关管关断时为泄放电阻,用来泄放开关管结电容电压。C4为储能电容,电容容量不能低于2 F,否则会降低系统带载能力。

(a)

(b)

图5 不对称半桥功率变换器电流流向图

3.4驱动电路

PWM信号产生芯片采用KA3525,它是一个典型的性能优良的开关电源控制芯片。其内部包括误差放大器、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。KA3525的1和2脚是内部运算放大器的输入端,系统中单片机的D/2、紧缩实验A转换接口的一个引脚与KA3525的2脚连接,实现KA3525的数字控制与步进调整。11和14脚输出交替的两路控制信号,经驱动电路与功率开关管的门极相连接。本文采用的驱动电路如图6所示。当11脚输出高电平、14脚输出低电平时,N1、P2导通,耦合变压器原边电流流向如图6(a)所示。当14脚输出高电平、11脚输出低电平时,N2、P1导通,耦合变压器原边电流流向如图6(b)所示。图7为驱动电路耦合变压器的输出波形。

图6 不对称半桥驱动电路电流流向图

图7 驱动电路耦合变压器的输出波形

3.5输出电路

图8即为LC滤波电路。电路中电感L4使电流波形变得平滑,电容则起到稳压的作用。其中电容C1为低频滤波,电容C7为高频滤波。

图8 LC滤波电路

3.6稳压电路

如图2所示,输出电压经采样电阻采样调整后输入KA3525的1脚,与单片机设定的KA3525的2脚电压进行比较,以实现稳定输出电压。若输出电压升高,则采样电压大于2脚给定电压,KA3525输出的脉宽变窄,反之变宽。

3.7辅助电源电路

由于本电路中KA3525芯片和单片机分别需要12V和5V的直流电压,故须设计辅助电源,其电路如图9所示。 辅助电源输出采用三端稳压器7812和7805实现12V和5V的直流电压。

图9 辅助电源电路

4、基于凌阳单片机开关电源的数控设计

本文数控部分采用凌阳公司的SPCE061A进行控制。SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分。SPCE061A单片机应用领域非常广泛。

本文利用SPCE061A单片机内部10位的A/D、D/A实现对输出电压的步进控制和测量以及输出电压和电流的显示功能。采用RT12864液晶显示,与单片机相连接,单片机的IOB0~IOB7的数据口与LCD的DB0~DB7相连接,IOB8为RS,IOB9为R/W,IOB10为E,IOB11为RST。连接方式如图10所示:

图10 RT12864与SPCE061的连接

输入键盘控制电路采用4 4矩阵式非编码键盘电路,与单片机进行连接。单片机的IOA8~IOA11做键盘的行扫描输出口,IOA12~IOA15做键盘的列扫描输入口。如图11所示:

图11 4 4矩阵键盘

KA3525的2脚是一个控制PWM波占空比的引脚,与SPCE061A单片机DAC1/DAC2引脚链接,利用集成的其中1个10位的D/A转换器,给2脚提供精确的给定电压,给2脚的电压越高,KA3525输出的PWM波的占空比就越大,开关管导通的时间就越长,稳压源输出电压就越高,反之电压降低。从而可根据需要通过程序实现对输出电压的数字给定和步进调整,达到数控的目的。

5、试验验证及结论

为了验证设计的可行性,进行了硬件实验和程序调试。稳压源的输出电压由KA3525芯片2脚的电压决定。试验中发现KA3525的2脚电压与输出电压成非线性关系,因此需要多次调试确定2脚电压与输出电压的值以实现单片机的数字给定和步进调整,本文给出了部分KA3525的2脚输入电压与输出端电压对应值。对应关系如表1所示。

表1 KA3525的2脚输入电压与稳压源输出电压的关系

经过计算KA3525的2脚所需要输入的电压并将其转化成单片机所需要的10位数字量,最后SPCE061A单片机将10位数字量左移6位写入P_DAC1单元的高10位,进行D/A转换成相应的3525芯片2脚给定电压,实现对开关电源供给螺杆在挤出进程中所需要的力矩和转速的步进调整。采样电压经A./D转换后送LCD显示,显示精度可达0.01V。经多次测试,本电源输出电压可以0V~40V连续调整,歩进值0.1V, 最大输出电流可达I0MAX=2.5A,电压调整率Su=0.1%,负载调整率SI=0.2%,效率 =90%,试验结果表明本数控电源方案切实可行。

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