【正文】 智能電源設(shè)計(jì) 孫西磊 摘要： 本系統(tǒng)由宏晶科技集團(tuán)的 8 位高速低功耗單片機(jī) STC12C5204AD 為控制核心，產(chǎn)生兩路 PWM 來(lái)驅(qū)動(dòng) 開關(guān)管 SFR9034 MOS 管 結(jié)合自帶的 AD 做反饋，做成兩路可控的 DCDC 電源，當(dāng)改變負(fù)載的時(shí)候，通過(guò)改變 PWM來(lái)控制輸出電壓，穩(wěn)定輸出電在 8V 左右，然后通過(guò)單片機(jī)算法算出各DCDC 模塊的電流及總的電流。 關(guān)鍵詞 ： SFR9034； STC12C5404AD； AD 采樣 ； 比例電流輸出 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè)共 3 3 頁(yè) 1 引言 （或緒論） 電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展，而電源技術(shù)的發(fā)展有效的促進(jìn)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從目前來(lái)看，智能電源在電子玩具行業(yè)的發(fā)展前景將會(huì)很大。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備對(duì)智能電源的性能要求日益提高，智能電源不斷朝著小 型化、模塊化、高效率、低成本、高可靠性、低電磁干擾方向發(fā)展。智能電源可利用單片機(jī)設(shè)置緊密的保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保電源運(yùn)行可靠。 課題研究的意義 和 背景 電源技術(shù) 的意義 電源設(shè)備是電子儀器的 一個(gè)重要組成部分，在科研及實(shí)驗(yàn)中都是必不可少的 ,電源種類繁多，也沒有明確的劃分標(biāo)準(zhǔn)，習(xí)慣上， 按照調(diào)整管的工作方式的不同可將直流穩(wěn)壓電源劃分為線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源兩大類，下面我們將主要討論線性穩(wěn)壓電源。 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè)共 3 3 頁(yè) 人們已經(jīng)研制成了許多模擬電壓源，這些電壓源各有各的優(yōu)點(diǎn)，例如成本低、簡(jiǎn)單、負(fù)載可以接地等。常見的直流穩(wěn)壓電源 ,大都采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理 ,通過(guò)調(diào)整輸出端取樣電阻支路中的電位器來(lái)調(diào)整輸出電壓。在 目前所使用的直流可調(diào)電源中，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。各種各樣的 D/A 轉(zhuǎn)換器已可實(shí)用，便可以方便的對(duì)電壓值進(jìn)行數(shù)字控制，這樣就可以比較經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建數(shù)控直流穩(wěn)壓電源 【 28】 之類的電路。 將低價(jià) 位的單片機(jī)引入電源設(shè)計(jì)中，以單片機(jī)作為核心部件，利用鍵盤產(chǎn)生中斷，利用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)各模塊的功能 成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)控電源設(shè)計(jì)的主流。該電路具有電壓調(diào)整簡(jiǎn)便 ,讀數(shù)直觀 ,電壓輸出穩(wěn)定 ,便于智能化管理的特點(diǎn) ,可以有效地克服傳統(tǒng)電源的不足。本設(shè)計(jì)中的數(shù)控電源就是模塊設(shè)計(jì)中的一個(gè)比較好的應(yīng)用。 數(shù)字化智能電源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能減少使用過(guò)程中的不確定因素和人為參 與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。 2）在不改動(dòng)硬件電路的基礎(chǔ)上可方便地對(duì)系統(tǒng)升級(jí)，維護(hù)方便。 智能電源 的 背景 數(shù)字電源的特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀分析 隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不 斷升級(jí)，電路板上的元器件運(yùn)行速度更快、體積更小，而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流；最終系統(tǒng)的功能不斷增加，平均售價(jià)卻不斷下降。這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的。 數(shù)字 電源是采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)回路與通信接口的新型電源技術(shù)。 隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實(shí)現(xiàn)電源性能指標(biāo)所必需的元件數(shù)量和成本也隨之增加，越來(lái)越多的控制需要通過(guò)具有成本效益的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。因此，在未來(lái)的電源系統(tǒng)中，模擬與數(shù)字技術(shù)將共存相當(dāng)一段時(shí)間。 模擬電源的優(yōu)勢(shì)與不足 目前，除了一些專門用于微處理器的轉(zhuǎn)換器之外，市場(chǎng)上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn) POL 轉(zhuǎn)換器仍采用模擬控制。 可盡管模擬電源解決方案的成本、性能（如負(fù)載變化時(shí)的電源響應(yīng)時(shí)間）、占板面積等指標(biāo)都優(yōu)于當(dāng)前的數(shù)字電源解決方案，但對(duì)開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，它完全是一種固定模式的黑盒應(yīng)用，抑制了開發(fā)人員發(fā)揮創(chuàng)造力的激情。 目前，許多高性能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器仍通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源器件產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行設(shè)置和控制。這些電阻、電容的值都是設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)確定的，制造完成后不可輕易更改，因此自適應(yīng)的電 源管理方案也就不可能實(shí)現(xiàn)。 傳統(tǒng)的模擬控制架構(gòu)已經(jīng)使用多年，但仍有不少缺陷。模擬控制的控制 響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的，它總是面向一個(gè)范圍狹窄的特定負(fù)載，因此無(wú)法為所有電壓值或負(fù)載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。除此之外，模擬系統(tǒng)的測(cè)試和維修都非常困難 本課題的研究?jī)?nèi)容 本課題擬設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的智能直流穩(wěn)壓電源。由電壓的控制過(guò)程可知，本電源系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)嵌在單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中的 PID 控制算法，結(jié)合擴(kuò)展的 ADC 和 DAC 構(gòu)成了先進(jìn)的數(shù)字閉環(huán)控制回路，無(wú)疑可以大大提高穩(wěn)壓電源的性能。設(shè)計(jì)電壓調(diào)整方法和控制算法，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)置電壓輸入調(diào)整方便，輸出電壓電流值數(shù)字顯示等預(yù)期目標(biāo)。 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè)共 3 3 頁(yè) 2 系統(tǒng)方案 與選擇 本系統(tǒng)主要由 開關(guān) 電源 模塊、 單片機(jī)供電 電源 模塊、 單片機(jī)控制 模 塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。 這種類型的場(chǎng)效應(yīng)管使用到電路中效率相對(duì)較低。 這種類型的場(chǎng)效應(yīng)管使用到電路中效率相對(duì)較高。 模塊的論證與選擇 方案一： 利用三端穩(wěn)壓器 L7805 穩(wěn)壓 。 方案二： 采用開關(guān)芯片 MC34063 穩(wěn)壓 。 綜合以上 兩 種方案，選擇方案 二 。 需要配合 AD 轉(zhuǎn)換芯片使用，增加了電路的制作難度，而且自身不能產(chǎn)生 PWM。 自身帶有 AD 轉(zhuǎn)換功能，不需要使用 AD 轉(zhuǎn)換芯片，有所降低成本，而且電路自作難度有所降低。 設(shè)計(jì)目標(biāo)與總體設(shè)計(jì)框圖 設(shè)計(jì)目 標(biāo) （ 1） .調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓 U0=177。 （ 2） .額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于 60%。 ，使兩個(gè)模塊輸出電流之和為 I0=1A且按 I1:I2=1:1 模式制動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于 5%。 ，使兩個(gè)模塊輸出電流之和為 I0=1。 （ 5）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓 UO=177。 （ 6）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓 UO=177。 （ 7）額定輸出功率工作狀態(tài)下，進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)效率。 的偏差）。 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè)共 3 3 頁(yè) 圖 1 總體框架圖 RL U0 U2 U3 U1 AC220V 變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 Uī 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè)共 3 3 頁(yè) 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) DCDC電源電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的開關(guān)電源輸入電壓由外界提供，電壓為 24V，而脈寬由 STC2C5204AD 單片機(jī)提供，頻率為 24KHz。由于兩個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)使用，有時(shí)輸出電流過(guò)大以及防止電流倒灌或停止工作，故在輸出端分別接了大電流肖特基二極管 IN5822。 圖 2 可控 DCDC 電源電路 單片機(jī)供電電路 單片機(jī)工作電壓在 之間，而外界提供的電壓為 24V，如果直接用 L7805三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓， L7805 必然發(fā)熱， 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。 片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出 的開關(guān)電流。 R 1 0 L1 1 0 0 u / 2 AD31 N 5 8 2 2Q29 0 1 4R33 3 0R22kG N DC41 0 0 uC2D41 N 5 8 2 2R41kR51kR71kR61kP W M 1A D 2A D 1Q3V M O S F E T PC52 2 0 u / 2 5 VC8 C3Q19 0 1 3R11MD21 5 VC11 0 0 0 PD11 N 4 1 4 8D5D68VR 2 0 L2 1 0 0 u / 2 AD91 N 5 8 2 2Q59 0 1 4R 1 33 3 0R 1 22kG N DC41 0 0 uC2D 1 01 N 5 8 2 2R 1 41kR 1 51kR 1 71kR 1 61kP W M 2A D 4A D 3G N DQ6V M O S F E T PC52 2 0 u / 2 5 VC8 C3Q49 0 1 3R 1 11MD81 5 VC11 0 0 0 PD71 N 4 1 4 8D 1 1D 1 28V2 4 V 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè)共 3 3 頁(yè) 圖 3 單片機(jī)供電電路 單片機(jī)控制電路 本系統(tǒng)采取的是宏晶科技公司生產(chǎn)的 STC12C5204AD 單片機(jī)，能產(chǎn)生兩路獨(dú)立的PWM 來(lái)控制兩路 DCDC 電源，并且通過(guò)自帶的 AD 模塊來(lái)采樣兩路 DCDC 電源輸出電流，從而調(diào)整 PWM 的占空 比來(lái)分配電流輸出。 圖 4 單片機(jī)控制電路 1234 5678M C 3 4 0 6 3U1C1470pFV i n+ C21000uFR20. 33L1 220uHD11N5822V ou tR33. 6KR41. 2KP 2 . 026P 1 . 321P 1 . 2 / E X _ L V D / R S T 220P 2 . 127P 1 . 119P 1 . 018V c c28I N T 0 / P 3 . 28P 2 . 615P 2 . 21G N D14P 3 . 717P 2 . 32X T A L 17R S T3P 1 . 725R x D / P 3 . 04P 1 . 624P 1 . 523T x D / P 3 . 15P 1 . 422P 2 . 716I N T 1 / P 3 . 39X T A L 26P 2 . 412C L K O U T 0 / T 0 / P 3 . 410P 2 . 513C L K O U T 1 / T 1 / P 3 . 511U1S T C 1 2 C 5 2 0 4 A DY11 1 . 0 5 9 2 M H zC13 0 p FC23 0 p FR 2 01 0 k+C 1 01 0 u FA D 1A D 2A D 3P W M 0P W M 1D1 D2 D3 D4V o u tS3S W P BS2S W P BS1S W P BS4S W P B 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè)共 3 3 頁(yè) AD轉(zhuǎn)換的基本概念 模數(shù)轉(zhuǎn)換定義 將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。該系列單片機(jī)集成 8路 10 位電壓輸入型高速 A/D。 STC12C5A 系列單片機(jī) P1 口功能選擇可通過(guò)特殊功能寄存器 P1ASF 設(shè)置實(shí)現(xiàn)。 STC12C5A 系列單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊上電、轉(zhuǎn)換速度、 模擬輸入通道的選擇、啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換狀態(tài)可通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器 ADC_CONTR 進(jìn)行配置及查看。進(jìn)入空閑模式時(shí)，應(yīng)關(guān)閉模數(shù)轉(zhuǎn)換器電源降低功耗。 SPEED1 和 SPEED0 為模數(shù)轉(zhuǎn)換速度控制位 S P E E D 1 S P E E D 0A / D 轉(zhuǎn) 換 所 需 時(shí) 間1 19 0 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次1 01 8 0 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次0 13 6 0 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次0 05 4 0 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次 ADC_FLAG 為模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢標(biāo)志位。無(wú)論 A/D 工作于與查詢方式還是中斷方式， ADC_FLAG 只能由軟件清零。 取樣 量化 編碼 保持 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè)共 3 3 頁(yè) （ LCD）顯示模塊 揚(yáng)州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè)共 3