【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 組成數(shù)據(jù)處理電路,在檢測(cè)與控制軟件支持下,通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較,從而調(diào)整和控制開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài),同時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電路的工作溫度和輸出電流大小。脈寬調(diào)制（PWM）整流濾波電壓取樣及調(diào)整光電隔離功率推動(dòng)電路（MOSFET）開(kāi)關(guān)變壓器直流輸出數(shù)碼管鍵盤(pán)D/A轉(zhuǎn)換單片機(jī)過(guò)流保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換 整體系統(tǒng)工作原理本研究設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)為：在電阻負(fù)載條件下，使電源滿(mǎn)足下述要求：（1）輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V～36V；（2）最大輸出電流IOmax：2A；（3）U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）；（4）IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤5%（U2=18V）；（5）輸出噪聲紋波電壓峰峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（6）DCDC變換器的效率h≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（7）具有過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO（th）=177。；（8）能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤(pán)設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心,一邊監(jiān)測(cè)鍵盤(pán)一邊顯示當(dāng)前輸出電壓值,并向模擬開(kāi)關(guān)輸出當(dāng)前設(shè)定值。當(dāng)鍵盤(pán)中控制輸出電壓的增減鍵被按下時(shí),單片機(jī)就會(huì)對(duì)設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的增減操作,并將修改之后的設(shè)定值送給模擬開(kāi)關(guān),更新輸出電壓為當(dāng)前設(shè)定值。該智能型穩(wěn)壓電以開(kāi)關(guān)電源為基礎(chǔ)電路，以AT89C52單片機(jī)為控制核心,組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測(cè)與控制軟件支持下，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整和控制開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電路的工作溫度和輸出電流大小，其工作原理框圖如圖1所示。市電經(jīng)整流、濾波變成直流電送入開(kāi)關(guān)調(diào)整電路，開(kāi)關(guān)調(diào)整電路在AT89C52的控制下輸出穩(wěn)定的直流電。用戶(hù)可根據(jù)需要通過(guò)鍵盤(pán)給定穩(wěn)壓電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，AT89C52自動(dòng)對(duì)電源輸出電壓和電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶(hù)給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后采用時(shí)間最優(yōu)(BB控制)與積分分離PID控制的雙?？刂扑惴刂崎_(kāi)關(guān)調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值，AT89C52在調(diào)整電源輸出電壓的同時(shí)還要檢測(cè)電路的工作溫度和輸出電流，倘若超過(guò)給定值，就啟動(dòng)保護(hù)電路。 開(kāi)關(guān)電源控制電路整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源電路可分為三部分：主電源回路，PWM控制及驅(qū)動(dòng)部分和采樣保護(hù)部分。主電源回路是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分， 交流輸入電壓經(jīng)一次不可控整流濾波電路平滑濾波后，將得到的直流電壓送至DCDC 電路。主電源回路主要可分為整流電路和DCDC 變換兩部分，后者決定了系統(tǒng)功能能否實(shí)現(xiàn)及效率的高低。本系統(tǒng)Boost 電路的電感選擇及開(kāi)關(guān)器件的選擇與連接都至關(guān)重要， 決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。DCDC 變換的控制可采用PWM 調(diào)制專(zhuān)用芯片，如UC3842芯片內(nèi)部集成了振蕩器（外接電阻電容來(lái)決定頻率）、誤差比較器、調(diào)制器等，使整個(gè)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較好。系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)選擇用硬件監(jiān)測(cè)的方式，當(dāng)輸出電流超過(guò)預(yù)設(shè)值后可由電路直接發(fā)中斷給單片機(jī)， 繼電器保護(hù)快速動(dòng)作，可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好。保護(hù)動(dòng)作后，利用蜂鳴器和發(fā)光管實(shí)現(xiàn)過(guò)流報(bào)警。整個(gè)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的硬件部分可分為三部分：主電源回路，PWM控制及驅(qū)動(dòng)部分和采樣保護(hù)部分。主電源回路是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分， 交流輸入電壓經(jīng)一次不可控整流濾波電路平滑濾波后，將得到的直流電壓送至DCDC 電路。主電源回路主要可分為整流電路和DCDC 變換兩部分，后者決定了系統(tǒng)功能能否實(shí)現(xiàn)及效率的高低。本系統(tǒng)Boost 電路的電感選擇及開(kāi)關(guān)器件的選擇與連接都至關(guān)重要， 決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。DCDC 變換的控制可采用PWM 調(diào)制專(zhuān)用芯片，如UC3842 等芯片內(nèi)部集成了振蕩器（外接電阻電容來(lái)決定頻率）、誤差比較器、調(diào)制器等，使整個(gè)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較好。系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)選擇用硬件監(jiān)測(cè)的方式，當(dāng)輸出電流超過(guò)預(yù)設(shè)值后可由電路直接發(fā)中斷給單片機(jī)， 繼電器保護(hù)快速動(dòng)作，可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好。保護(hù)動(dòng)作后，利用蜂鳴器和發(fā)光管實(shí)現(xiàn)過(guò)流報(bào)警。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后自動(dòng)重合繼電器，使電路恢復(fù)工作。通過(guò)鍵盤(pán)和LED 與用戶(hù)交互，鍵盤(pán)可直接輸入所要求的輸出電壓，也可步進(jìn)輸入，LED 實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)及輸入信息。 開(kāi)關(guān)電源主電路圖開(kāi)關(guān)電源電路采用UC3842 集成電路，其特征是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，控制型效率高，能夠很好的穩(wěn)定電壓幅值，同時(shí)，通過(guò)改變脈沖寬度占空比固定開(kāi)關(guān)的頻率改善波形，具有良好的抑制輸出電壓紋波和噪聲功能。圖 開(kāi)關(guān)電源主電路圖整流就是把交流電變成脈動(dòng)的直流電的過(guò)程，整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦约纯砂呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電。 橋式整流電路在輸入部分，整流橋VBR1和電容C1可以整流和濾波，還可以減少高頻噪聲。輸出端的濾波電感也可以濾除高頻干擾。濾波是為了降低輸出電壓的脈動(dòng)分量，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、RC（LC）∏型的濾波形式。電容是一個(gè)能儲(chǔ)存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C。在電容量不變時(shí)，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量，經(jīng)過(guò)濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高。直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，電網(wǎng)供給的交流電壓經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓，然后由整流電路變化成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)電壓，再用濾波器濾去其交流分量，就可以得到比較平直的直流電壓。 PWM控制電路為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。I/O接口把單片機(jī)的高頻脈沖信號(hào)分頻后變成適宜的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，作為中斷口的計(jì)數(shù)脈沖和門(mén)控信號(hào)，單片機(jī)把給定值與傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，根據(jù)電壓控制算法設(shè)置產(chǎn)生不同占空比(0～90%) 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓。I/O 輸出端與開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行光電隔離，防止來(lái)自開(kāi)關(guān)電源電路的干擾信號(hào)影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路通過(guò)UC3842 和外圍電路實(shí)現(xiàn)。通過(guò)采樣反饋電路改變開(kāi)關(guān)占空比，來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉的脈寬，從而使輸出電壓穩(wěn)定。PWM控制器采用 UC3842集成電路，UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器。假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。UC3842可以直接驅(qū)動(dòng)MOS管、IGBT等，適合于制20～80W小功率開(kāi)關(guān)電源。由于器件設(shè)計(jì)巧妙，由主電源電壓直接啟動(dòng)，構(gòu)成電路所需元件少，非常符合電路設(shè)計(jì)中“簡(jiǎn)潔至上”的原則。PWM 電路控制功率推動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)電壓反饋電路矯正得到穩(wěn)定的輸出電壓；電壓取樣電路將采集的電壓信息送至單片機(jī)，從而顯示當(dāng)前電壓值。采用PWM控制的優(yōu)點(diǎn)是: 簡(jiǎn)化了硬件電路,降低了硬件成本。 在PWM 控制過(guò)程中, 單片機(jī)可實(shí)時(shí)檢測(cè)ADC 端口上電流的大小, 并根據(jù)電流大小與設(shè)定值進(jìn)行比較, 以決定PWM占空比的調(diào)整方向， 單片機(jī)利用ADC 的端口和PWM的寄存器可以任意設(shè)定電流的大小。UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，： UC3842引腳圖本設(shè)計(jì)所做的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源是脈沖寬度調(diào)制型（PWM），采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零，所以其功耗小，效率可高達(dá)80%～95%。而功耗小，散熱器也隨之減小，同時(shí)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，然后由開(kāi)關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開(kāi)關(guān)工作頻率在幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開(kāi)關(guān)電源具有重量輕，體積小等特點(diǎn)。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，從而提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為220V+10%，而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓從90V～264V范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。： UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、電流比較器、PWM 鎖存、5VDC基準(zhǔn)電源、輸出電路等。5VDC 基準(zhǔn)電源：內(nèi)部電源。該電源還可以提供外部5VDC/50mA。蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。RT 接在8（REF）腳之間，CT 接5（GND）之間。頻率f=(CTRT)。最大500kHz。誤差放大器：由UFB 做比較，誤差電壓COMP 用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。COMP 端引出接外部RC 網(wǎng)絡(luò)，以改變?cè)鲆婧皖l率特性。輸出電路：圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)，電路1A，驅(qū)動(dòng)MOS 管及雙極型晶體管。電流取樣比較器：3 腳ISENSE 用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流，可以用電阻或電流互感器采樣，當(dāng)VISENSE1VDC 時(shí)，關(guān)閉輸出脈沖，使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。這實(shí)際上是一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路。欠壓鎖定電路UVLO：開(kāi)通閾值16VDC，關(guān)閉閾值10VDC。具有滯回特性。PWM 鎖存電路：保證每一個(gè)控制脈沖作用不超過(guò)一個(gè)脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。另外，UCC 與GND 之間的穩(wěn)壓管用于保護(hù)，防止器件損壞。UC3842 芯片是Unitrode 公司推出的高性能電流型PWM 控制器。該芯片電路開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)節(jié)，具有電流反饋和電壓反饋雙環(huán)控制的特點(diǎn)，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高。除具有輸入端過(guò)壓保護(hù)與輸出端過(guò)流保護(hù)功能之外，還設(shè)有欠壓鎖定電路，因此，電路穩(wěn)定可靠。基于UC3842 設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路，利用光耦和三端穩(wěn)壓器配合控制可大幅提高電源電壓的瞬態(tài)響應(yīng)速度和調(diào)整率。因此，很適合于在高精度穩(wěn)壓電源中使用。而且，該芯片具有外圍電路簡(jiǎn)單，安裝與調(diào)試方便，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。UC3842 內(nèi)部主要包括：5 V 基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、過(guò)流檢測(cè)電壓比較器、PWM 鎖存器、輸入欠壓鎖定電路。具有8 腳封裝的UC3842 芯片各引腳功能如下：腳1 為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償；腳2 是誤差放大器的反相輸入，通常通過(guò)一個(gè)電阻分壓器連至開(kāi)關(guān)電源輸出，起電壓反饋?zhàn)饔?；腳3為電流取樣引腳，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，保護(hù)開(kāi)關(guān)管不致過(guò)流損壞；腳4 用于定時(shí)，通過(guò)時(shí)間電阻RT連接至參考輸出引腳8 以及時(shí)間電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)，振蕩頻率為f = ／ （RT CT），工作頻率可達(dá)500 kHz；腳5 是控制電路和電源的公共地；腳6 是輸出驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的方波引腳，為圖騰柱式輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET 的柵極；腳7 是控制集成電路的正電源（Vcc）；腳8 是參考輸出引腳，它通過(guò)電阻RT向電容CT提供充電電流。UC3842 還包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)供電電源電壓低于10V 時(shí)，芯片停止工作。 開(kāi)關(guān)電路核心電路 開(kāi)關(guān)電路核心電路在主回路的器件選擇中主要是電感和電容，其中電感的選擇方法計(jì)算如下：各參數(shù)定義：Ioff：場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)流經(jīng)電感的電流Ion：場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)電感的電流Vin：經(jīng)整流濾波后輸出電壓Vo：輸出電壓VL：電感兩端電壓T： 開(kāi)關(guān)周期Ton：一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Toff：一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)間D：占空因數(shù)流經(jīng)電感的電流表達(dá)式：i(t)=i(0)+∫VL/LdtMOSFET導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)電感的電流：iL=Ioff+∫VL/Ld