一種數字化開關電源的設計

0 引 言

與線性電源相比，開關電源具有諸多優點：由于主功率晶體管工作在開關狀態，其損耗小，整機效率大大提高；采用鐵氧體高頻變壓器，使電源的體積和重量大為減少，成本更低等。一些專用電源芯片如TL494、UC3842的出現，也使開關電源的設計更為簡單，同時性能可靠。但只使用專用芯片制作的開關電源輸出通常為單一狀態，若要改變輸出狀態要對硬件電路進行修改。筆者設計實現了一種單片機控制的數字化開關電源，有效的改善了上述問題。

1 數字化開關電源的設計原理

筆者設計的數字化開關電源額定功率120 W。系統以開關電源作為基本電路，采用高性能單片機作為控制系統，在控制算法的支持下，通過對輸出電壓和電流進行實時采樣，并與軟件給定值相比較，控制和調整開關電源的工作狀態，得到期望值。主要包括輸入的整流濾波校正、功率變換、輔助電源部分、驅動電路、單片機控制系統5部分。功率變換部分采用單端反激變換電路，輔助電源為驅動電路提供電能，驅動電路將來自單片機的PWM信號放大后驅動主功率晶體管，單片機系統是整個電路的控制核心，通過采樣值的變化實時控制輸出PWM的占空比。整個設計力求做到了性能最優，成本最低。其結構如圖1所示。

圖1 數字化開頭電源結構圖

　　1.1 主電路分析

功率轉換部分采用單端反激電路，結構如圖2。當加到原邊主功率開關管Q1的激勵脈沖為高電平使Q1導通時，直流輸入電壓加在原邊繞組兩端，由于此時副邊繞組相位是上負下正，整流管D1反向偏置截止，原邊電感儲存能量；當激勵脈沖為低電平使Q1截止時，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組相位變為上正下負，整流管正向偏置導通，變壓器儲存的能量向副邊釋放。在此開關過程中，高頻變壓器既起變壓隔離作用，又起電感儲能作用。

圖2 單端反激變換器簡圖

　　1.2 單片機控制系統

單片機控制系統是整個數字化電源的核心部分。單片機采用Freescale公司的68HC908SR12，其內部資源豐富，集成了12k的程序存儲器，2路定時/計數器，14通道1o位A/D轉換器，PWM輸出，內部溫度傳感器等。單片機控制系統框圖如圖3。

圖3 單片機控制系統框圖

　　ATD0、ATD10分別是電壓電流采樣引腳，將采到的模擬量轉化為數字量送至CPU。CPU每隔lms進行一次控制調整，從而輸出占空比合適的PWM信號。PWM信號經過驅動電路隔離放大后直接控制主電路的開關管。由于908SR12內自帶脈沖寬度調制模塊，PWM最大頻率達到125kHz，完全可以用在高頻開關電源中，8位的分辨率，可以保證輸出電壓電流的精度。

　　鍵盤部分采用觸點式按鍵開關，使用者可以根據自己需要在額定功率下任意調整輸出電壓電流值。整個回路采用雙閉環的控制系統，正常情況下電壓環的反饋使輸出電壓恒定，一旦輸出電流超出最大值，電流環使輸出電壓降低，輸出電流維持在最大電流值。顯示部分可以由數碼管或液晶組成，本系統中通過按鍵選擇分別顯示電壓、電流、功率、溫度、電能計量等，并通過指示燈指示不同狀態。在運行過程中若出現開路或短路現象，指示燈顯示報警狀態，CPU會立刻啟動保護程序關閉主電路。同時不斷檢測電源內部溫度，防止整機溫升過高。

　　1.3 驅動電路設計

　　由于單片機輸出5V1vrL電平不足以驅動主功率開關管，并且在整個電路中原副邊完全電氣隔離，因此單片機輸出PWM信號不能直接與主功率開關管相連。另外主功率開關管的溫升直接影響到整套設備的穩定性與使用壽命。提高開關管的導通與關斷速度是解決開關管溫升問題最本質有效的方法。這就要求驅動電路具有以下特點：