PIC單片機的可編程電源的設計

　　引言

　　隨著各種電器和儀表設備的日漸豐富，對電源應用的靈活性提出了更高的要求。設計一款使用靈活、方便且價格相對便宜的通用電源，正越來越成為市場所需。現代單片機正朝著處理速度越來越快，外設資源越來越豐富，價格越來越便宜的方向發展，將單片機融入電源的設計中可以極大地提升電源的性能和靈活性。本文介紹了一種單片機加PWM芯片的開關電源設計方法，既可以保留PWM芯片帶來的穩定工作性能，又可以利用單片機的控制能力提供各種人機交互和通信接口。筆者設計的電源作為通用電源使用，可以提供靈活可編程的電壓電流輸出，另外還可以設置成鉛酸電池充電器的模式，具有廣闊的應用前景。

　　1 系統功能

　　通過對電源的編程，可以方便地實現圖1所示的電壓輸出波形。其中，V1、V2、T1、T2、dv、dt都是可以通過編程來設定的。電壓值的輸出范圍為0～16V，最大輸出電流為10 A。輸出電壓精度為0.1 V，電流精度為10mA。電流的設定值指的是允許輸出的最大電流，也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。

圖1 編程輸出電壓波形

　　另外，電源也可以工作在鉛酸電池充電器的模式（簡稱“LBC模式”）。根據鉛酸電池的特性，當電源工作在LBC模式時，電源首先將輸出較大的充電電壓和電流V1/I1，至少維持10s；當充電電流降到小于設定值I2時，電源輸出較小的充電電壓和電流V2/I2。如果到了設定時間T1，充電電流還未降到I2以下，這時電源輸出也會降為V2/I2。當輸出電流再次大于I2時，電源將再次輸出V1/I1充電。其中，V2設定值必須小于14V。若設置為大于14 V，電源會自動將其設成14 V。I2的值必須大于1/8I1，否則將被自動設成1/8I1。LBC模式如圖2所示。

圖2 LBC模式

　　用戶可以通過3種方式對電源進行輸出設定：

　　① 通過電源面板上按鍵編程。通過按鍵對輸出電壓、電流限流值、時間等量進行設定。

　　② 通過PC機串口編程。通過將PC機的串口RS232與電源串口相連，再運行PC機上一串口通信的軟件對電源進行編程。

　　③ 電源間相互編程。通過將兩臺電源的串口相連，操作其中一臺電源面板上的按鍵來對另一臺進行編程。操作的一臺電源叫做“主電源”，被編程的電源叫做“從電源”。在這種編程方式中，只能將從電源的參數設置為與主電源完全一致，而不能對各個參數進行單獨設定。一臺電源只能提供100W的功率。這種方式可以應用在需要較大功率的場合，可將兩臺或多臺具有相同設置的電源輸出并聯來方便地實現功率擴展。

　　2 工作原理

　　用單片機來控制開關電源，總的來說可以分為兩種：

　　第一種是單片機通過輸出PWM或DA給電源電路提供一個基準電壓，單片機本身不介入電源的反饋中（本設計所采用的就是這種方式）；第二種為通過單片機輸出的PWM信號直接控制開關管工作，取代PWM芯片，但這種方式對單片機的要求較高，需要具有相當高的時鐘頻率才能滿足對輸出PWM頻率和分辨率的要求。

　　系統按模塊來分可以分成兩大模塊：

　　電源模塊和單片機控制模塊。電源模塊是以PWM芯片為核心的AC—DC變換器，PWM芯片采用安森美半導體的電流型PWM控制器NCP1200作為控制芯片。單片機控制模塊采用美國微芯公司的PIC16F874作為微控制器，主要實現電流電壓信號的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個模塊的關系可以用圖3來說明。

圖3 工作原理

　　圖3中，電網電壓經整流濾波后供給高頻變換電路，由高頻變換電路產生輸出。單片機輸出兩路PWM信號，給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值，電源模塊按照單片機提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機采樣輸出電壓和電流進行顯示，但這里單片機并不參與系統的反饋，反饋通過電源模塊來實現（在后面的部分中會詳細講到）。

　　3 硬件設計

　　3.1 電源模塊電路

　　NCP1200是安森美半導體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應用電路只需要使用很少的外圍元件，使設計更加緊湊。另外，芯片內集成輸出短路的保護電路，使成本可以進一步降低。

　　圖4是以NCP1200為控制芯片的電源電路的結構。從圖中可以看到，電源模塊中有兩種反饋類型。第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設定值進行比較，通過光耦來控制NCP1200芯片FB腳的電壓，調整DRV腳輸出PWM的脈寬來控制場效應管的導通和關斷時間，從而達到調整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當采樣到的輸出電流值ISS超過單片機提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導通，將FB腳電壓拉低，使得NCP1200輸出PWM脈寬減小，從而達到限流的目的。當輸出電流小于單片機提供的限流值時，限流反饋不起作用。

圖4 電源模塊電路結構

　　圖中的輔助電源提供+12 V的電壓，另經三端穩壓器件KA7805（圖中未畫出）產生+5V的電壓，給比較器和單片機控制模塊提供電源。