【正文】 （ PWM）和 雙極型三極管 構成 ， 介紹了基于 AT89C51 單片機的數(shù)字化控制的可調(diào)開關穩(wěn)壓電源， 系統(tǒng)以 UC384 LM2576為核心，其中固定輸出部分分別為177。 關鍵詞 : 開關電源；穩(wěn)壓； 51MCU； A/D； D/A II ABSTRACT The design of the switching power supply from the pulse width modulator (PWM) and bipolar transistor structure, introduced the AT89C51 microcontroller based digital control of adjustable switching power supply, system UC3842, LM2576 as the core, some of which were fixed output 177。隨著電子技術的飛速發(fā)展，各種電子、電器設備對穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高，穩(wěn)壓電源不斷朝著小型化、高效率、低成本、高可靠性、低電磁干擾、模塊化和智能化方向發(fā)展，以單片機系統(tǒng)為核心而設計制造出來的新一代智能型穩(wěn)壓電源 不但電路簡單，結構緊湊，價格低廉，性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數(shù)據(jù)進行各種計算，從而可排除和減少由于干擾信號和模擬電路引起的誤差，提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了模擬電路的要求 [1]。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間。參數(shù)穩(wěn)壓電源電路簡單，主要是利用元件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓。 開關電源的分類 開關電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類， DC/DC 變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已 技術成熟，性能優(yōu)良、穩(wěn)定 ，并已得到用戶的認可，但 是 AC/DC 的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。 斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式，二是頻率調(diào)制方式。 （ 4） Cuk 電路 — 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo 大于或小于輸入電壓 Ui,極性相反，電容傳輸。 AC/DC變換器輸入為 50/60Hz 的交流電，因必須經(jīng) 整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如 UL、 CCEE 等）及 EMC 指令的限制（如 IEC、 FCC、 CSA），交流輸入側(cè)必須加 EMC 濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制 AC/DC 電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決 EMC 電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了 AC/DC 變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意 程度。 穩(wěn)壓電源的主要指標 直流穩(wěn)壓電源的指標有兩類：一類是特性指標 ； 另一類是技術指標或質(zhì)量指標 [2]。 （ 4）保護特 性在穩(wěn)壓電源中，當負載出現(xiàn)過載或短路時，會使調(diào)整管損壞，因此，電源中須有快速響應的過流、短路保護電路。電壓穩(wěn)定度表征電源對市電電網(wǎng)變化的抑制能力。 (2)內(nèi)阻（ rn） ： 當負載電流變化時，電源的輸出電壓也會發(fā)生變化，變化數(shù)值越小越好。 （ 4） 紋波系數(shù)（ SO） 電源輸出電壓中，存在著紋波電壓，它是輸出電壓中包含的交流分量。 （ 5）溫度系數(shù) 溫度系數(shù)是用來表示輸出電壓溫度的穩(wěn)定性。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承 受較大的電壓差，導致調(diào)整管功耗 較大，電源效率很低，一般只有 45％ 左右 [4]。 20 世紀 80 年代，計算機全面實現(xiàn)了 開關電源化，率先完成計算機的電源換代。所以其功耗小，效率可高達 70％－ 95％。因此開關電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點。 智能穩(wěn)壓電源設計 7 開關電源的高頻化是電源技術發(fā)展的創(chuàng)新技術，高頻化帶來的效益是使開關電源裝置空前地小型化，并使開關電源進入更廣泛的領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。對于兆赫以上開關頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關方式。 15V 輸出電流： Io≥ 2A 紋波系數(shù)： Vm≤ 5mV 穩(wěn)定度：△ Vo/Vo 100％≤ 1％ 任意可預置輸出， 步進 V 8 第二章 開關穩(wěn)壓電源的原理 開關 穩(wěn)壓電源的 工作原理 交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。控制電路用來調(diào)整高頻開關元件的 開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。直流平均電壓Ｕ。 開關電源 常見 電路 1．降壓 （串聯(lián)） 式開關電源 降壓式開關電源的典型電路如圖 23所示。 圖 23 降壓式開關電源 這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、 10 電容和二極管即可實現(xiàn)。 圖 24 升壓式開關電源 3．自激式開關穩(wěn)壓電源 自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如 25 所示。在 VT1 截止時，智能穩(wěn)壓電源設計 11 L2 中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1 給 C1 反向充電，逐漸提高 VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。 圖 26 推挽式開關電源 這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅(qū)動，主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。無論開關管 VT1 之前的脈動直流電壓高于或低于輸 出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。它對電信號有放大和開關等作用， 應用十分廣泛。 半導體三極管主要分為兩大類：雙極性晶體管（ BJT）和場效應晶體管（ FET）。 三極管的導通 ， 三極管處于放大狀態(tài)還是開關狀態(tài)要看給三極管基極加的直智能穩(wěn)壓電源設計 13 流偏置，隨這個電流變化，三極管工作狀態(tài)由截止 線性區(qū) 飽和狀態(tài) 變 化而變， 如果三極管 Ib（直流偏置點）一定時，三極管工作在線性區(qū)，此時 Ic 電流的變化只隨著 Ib 的交流信號變化， Ib繼續(xù)升高，三極管進入飽和狀態(tài)，此時三極管的 Ic 不再變化，三極管將工作在開關狀態(tài)。 一般時間控制法有三種，即脈沖寬度控制（調(diào)寬 PWM）、脈沖頻率控制（ PFM）和混合式控制（調(diào)頻 — 調(diào)寬）。 與微處理技術 典型 PWM 調(diào)速控制芯片特點隨著微處理器技術的發(fā)展，其與 PWM 技術相結合，形成了各類特色的控制方案，主要可分為以下幾類 ： (1)采用單一的通用微處理器 (單片機 )來產(chǎn)生 SPWM。 14 (3)采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結合的方式，可以兼具靈活、簡單、易于開發(fā)、功能勿、一展的特點，如 Siemens 公司的 SEL4520,Mitel公司的SA4828 等，但成本較高。特別是高速運算能力 DSP 核的嵌入常見的如 TI 公司的 TM5320F24X 系列、 AD 公司的 ADMCF32X 系列，使得此類芯片完全可以實現(xiàn)高性能的控制算法，如磁場定向控制、無速度傳 感器矢量控制等 [8]。 經(jīng)過比較 篩選和論文要求參數(shù)指標，本設計采用開關電源做為智能穩(wěn)壓電源的主電路。將此電壓加在 LM2576可調(diào)端便可實現(xiàn)可調(diào)輸出。 5V/177。有了電荷，兩極板之間就有電壓 UC=Q/C。電路圖如 33 所示 ： 18 圖 33 PWM 控制電路圖 從圖 33可以看出，反饋采樣電壓不是取自輸出電壓，而是取自變壓器 T 原邊側(cè)的 Vcc,Vcc 的波動直接反應了電感電流的變化，所以有較快的響應速度。同樣，負載的變化帶來電感電流的變化，誤差放大器也起到改善負載調(diào)整率的作用 [5]。啟動電壓和關斷閥智能穩(wěn)壓電源設計 19 值電壓相差 6V，是為了防止電路在閥值電壓附近工作時，反復出現(xiàn)啟動 /關斷的跳動。引腳 8在芯片內(nèi)部接在電壓基準的 5V電壓上， 5V 電壓要通過 R402對 C404充電。 輸出級為圖騰柱式輸出電路，輸出晶體管的平均電流為177。或者將引腳 1 上的電壓降到 1V 以下，實現(xiàn)輸出關斷。 脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路通過 UC3842 和外圍電路實現(xiàn)。 UC3842 可以直接驅(qū)動 MOS 管、 IGBT 等，適合于制 20～ 80W 小功率開關電源。 在 PWM 控制過程中 , 單片機可實時檢測 ADC 端口上電流的大小 , 并根據(jù)電流大小與設定值進行比較 , 以決定 PWM 占空比的調(diào)整方向， 單片機利用 ADC 的端口和PWM 的寄存器可以任意設定電流的大小。 智能穩(wěn)壓電源設計 21 穩(wěn)壓輸出電路 穩(wěn)壓輸出電路設計 根據(jù)論文要求需要得到兩組固定輸出分別為 15V/+15V 和 5V/+5V，由于兩組輸出原理完全相同，在這里只介紹 15V/+15V。輸出電容 C20C204 輸出電容值根據(jù)： C≥ 13300Vin/Vout L 計算。 本設計的穩(wěn)壓輸出電路選用的是 LM2576 實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出 ，由 LM2576 特性可知，LM2576 有 、 5V、 12V、 15V 四種固定輸出可選擇，輸出電流為 3A，因此可直接滿足論文輸出電壓和輸出電流指標；紋波系數(shù)大小主要是由輸出電容 C20C204 和 LM2576 決定，輸出電容越大，紋波系數(shù)就越小，本設計把輸出電容值選擇為 1000uF，那么紋波就會小于 5mV； 輸出電壓穩(wěn)定度通過試驗得知空載時輸出電壓分別為 5V、 15V，滿載時輸出電壓分別為 5V、 15V，穩(wěn)定度小于 1％ ，所以都滿足論文指標。 （ 3） SD— 電路地； （ 4） FEEDBACK— 反饋端； 電子 （ 5） ON/OFF—控制端，高電平有效，待機靜態(tài)電流僅為 75μA 可調(diào)輸出電路 可調(diào)輸出電路設計 本 設 計 的 可 調(diào) 范 圍 在 5V 到 +5V，電路主要由運算放大器 LM358和LM2576開關穩(wěn)壓集成電路組成。 運算放大器 LM358 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。 ? 直流電壓增益高 (約 100dB)。 15V)。 ? 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片 DAC0832。 26 DI0DI78位寄存器DAC8位D/A轉(zhuǎn)換器8位輸入寄存器......amp。 一般情況下為了簡化接口電路，使第二級 8 位 DAC 寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級 8 位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 MCU 的 P2 口作為液晶 AD0801 和 74LS573 的控制端口， P3 口作為用戶鍵盤輸入端口。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT8920C51 是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案此外， AT89C51有PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。 AD 轉(zhuǎn)換電路 AD 轉(zhuǎn)換電路設計 AD 轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換由于采用的是 8 位并行 AD 轉(zhuǎn)換芯片 AD0801，所以只需將其數(shù)據(jù)口與 MCU 的 P1口進行連接即可。 所謂雙積分就是進行一次 A/D 轉(zhuǎn)換需要兩次積分。 2. 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器由 D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。其數(shù)據(jù)口與 MCU 的 P0 口連接，控制口 RS 和LCDEN 分別接 MCU 的 、 口， 圖 312 LCD 液晶顯示電路圖 液晶顯示器 (LCD)英文全稱為 Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術來實現(xiàn)色彩的顯示器。 LCD 顯示器還通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。 目前相 比 CRT 顯示器， LCD 顯示器圖像質(zhì)量仍不夠完善。 （ 1） 編碼鍵盤 :由硬件邏輯電路完成必 要的鍵識別工作與可靠性措施。它主要有 :獨立式按鍵結構、矩陣式按鍵結構。按鍵的消抖，通常有軟件、硬件兩種消除方法，本文采用的是軟件消抖動。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 接著系統(tǒng) 采樣輸出 的 電壓 值 ， 讓 輸出 的 電壓 值 與輸入電壓值 的大小 進行比較，由 誤差 調(diào)整 模塊 調(diào)整輸出電壓 值 ， 一 直到輸入電壓 與 輸出電壓相等 為止 。 vout=0xff。 if(P3!=0xf0) { shuch