1、引言
現(xiàn)實的生活和實驗中，常常要用到各種各樣的電源，電壓要求多樣。如何設計一個電壓穩(wěn)定，輸出電壓精度高，并且調節(jié)范圍大的電壓源，成了電子技術應用的熱點。在市面上，各種電源產品各式各樣，有可調節(jié)的和固定的。但是普遍存在一些問題，如轉換效率低，功耗大，輸出精度不高，可調節(jié)范圍過小，不能滿足特定電壓的要求，輸出不夠穩(wěn)定，紋波電流過大，并且普遍采用可調電阻器調節(jié)，操作難度大，易磨損老化。
針對以上問題，本文采用基于KA3525 PWM控制芯片的不對稱半橋式功率變換器，并采用16位凌陽單片機作為數控核心，通過其內置的D/A輸出調制PWM，提高了電源的輸出精度和效率，并且方便使用者操作，實現(xiàn)了基于單片機的數控開關電源。
2、基于單片機的數控開關電源系統(tǒng)組成
本數控開關電源，采用凌陽單片機實現(xiàn)對基于PWM控制的不對稱半橋式功率變換器的數字控制，實現(xiàn)直流輸出電壓0V～40V設定和步進值為1連續(xù)調整，最大輸出電流為2A。同時實現(xiàn)了對輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括： PWM控制的開關電源模擬電路部分和凌陽單片機組成的數控部分。
圖1 基于單片機的數控開關電源設計系統(tǒng)框圖
3、基于PWM控制的開關電源設計
PWM控制的開關電源電路原理如圖2所示。主要包括EMI濾波電路、整流濾波電路、功率變換電路、驅動電路、輸出電路、穩(wěn)壓電路、過流保護電路以及輔助電源電路等。
圖2 PWM控制的開關電源原理圖
3.1 EMI濾波電路
EMI濾波器如圖3所示電路。該濾波器有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端。電路包括快速保險絲F1，泄放電阻R1，共模電感L1、L2，濾波電容C1、C2、C8、C9。泄放電阻R1可將C1上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進線端不帶電,保證使用的安全性。共模電感L1-1、L1-2對差模干擾不起作用，對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗。C1、C9主要用來抑制差模干擾。C2、C8跨接在輸出端，經過分壓后接地，能有效的抑制共模干擾。
圖3 EMI濾波電路
3.2整流濾波電路
常用整流電路有半波、全波、橋式、倍壓整流等形式。本文采用橋式整流電路，電路如圖4所示。圖中 C3、C10兩個電容分別用于濾除整流后的高低頻成分。
圖4 整流濾波電路
3.3 功率變換電路
功率變換電路采用不對稱半橋功率變換器，如圖5所示。圖5（a）所示電路開關管M1導通、M2截止，電容C4放電。圖5（b）所示電路開關管M2導通、M1截止時，電容C4充電。圖中R1、R2、R6、R7在開關管關斷時為泄放電阻，用來泄放開關管結電容電壓。C4為儲能電容，電容容量不能低于2μF，否則會降低系統(tǒng)帶載能力。
(a)
(b)
圖5 不對稱半橋功率變換器電流流向圖
3.4驅動電路
PWM信號產生芯片采用KA3525，它是一個典型的性能優(yōu)良的開關電源控制芯片。其內部包括誤差放大器、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。KA3525的1和2腳是內部運算放大器的輸入端，系統(tǒng)中單片機的D/A轉換接口的一個引腳與KA3525的2腳連接，實現(xiàn)KA3525的數字控制與步進調整。11和14腳輸出交替的兩路控制信號，經驅動電路與功率開關管的門極相連接。本文采用的驅動電路如圖6所示。當11腳輸出高電平、14腳輸出低電平時，N1、P2導通，耦合變壓器原邊電流流向如圖6（a）所示。當14腳輸出高電平、11腳輸出低電平時，N2、P1導通，耦合變壓器原邊電流流向如圖6（b）所示。圖7為驅動電路耦合變壓器的輸出波形。
圖6 不對稱半橋驅動電路電流流向圖
圖7 驅動電路耦合變壓器的輸出波形
3.5輸出電路
圖8即為LC濾波電路。電路中電感L4使電流波形變得平滑，電容則起到穩(wěn)壓的作用。其中電容C1為低頻濾波，電容C7為高頻濾波。
圖8 LC濾波電路
3.6穩(wěn)壓電路
如圖2所示，輸出電壓經采樣電阻采樣調整后輸入KA3525的1腳，與單片機設定的KA3525的2腳電壓進行比較，以實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。若輸出電壓升高，則采樣電壓大于2腳給定電壓，KA3525輸出的脈寬變窄，反之變寬。
3.7輔助電源電路
由于本電路中KA3525芯片和單片機分別需要12V和5V的直流電壓，故須設計輔助電源，其電路如圖9所示。 輔助電源輸出采用三端穩(wěn)壓器7812和7805實現(xiàn)12V和5V的直流電壓。
圖9 輔助電源電路
4、基于凌陽單片機開關電源的數控設計
本文數控部分采用凌陽公司的SPCE061A進行控制。SPCE061A主要包括輸入/輸出端口、定時器/計數器、數/模轉換、模/數轉換、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和復位等部分。SPCE061A單片機應用領域非常廣泛。
本文利用SPCE061A單片機內部10位的A/D、D/A實現(xiàn)對輸出電壓的步進控制和測量以及輸出電壓和電流的顯示功能。采用RT12864液晶顯示，與單片機相連接，單片機的IOB0~IOB7的數據口與LCD的DB0~DB7相連接，IOB8為RS，IOB9為R/W，IOB10為E，IOB11為RST。連接方式如圖10所示：
圖10 RT12864與SPCE061的連接
輸入鍵盤控制電路采用4×4矩陣式非編碼鍵盤電路，與單片機進行連接。單片機的IOA8~IOA11做鍵盤的行掃描輸出口，IOA12~IOA15做鍵盤的列掃描輸入口。如圖11所示：
圖11 4×4矩陣鍵盤
KA3525的2腳是一個控制PWM波占空比的引腳，與SPCE061A單片機DAC1/DAC2引腳鏈接，利用集成的其中1個10位的D/A轉換器，給2腳提供精確的給定電壓，給2腳的電壓越高，KA3525輸出的PWM波的占空比就越大，開關管導通的時間就越長，穩(wěn)壓源輸出電壓就越高，反之電壓降低。從而可根據需要通過程序實現(xiàn)對輸出電壓的數字給定和步進調整，達到數控的目的。
5、試驗驗證及結論
為了驗證設計的可行性，進行了硬件實驗和程序調試。穩(wěn)壓源的輸出電壓由KA3525芯片2腳的電壓決定。試驗中發(fā)現(xiàn)KA3525的2腳電壓與輸出電壓成非線性關系，因此需要多次調試確定2腳電壓與輸出電壓的值以實現(xiàn)單片機的數字給定和步進調整，本文給出了部分KA3525的2腳輸入電壓與輸出端電壓對應值。對應關系如表1所示。
表1 KA3525的2腳輸入電壓與穩(wěn)壓源輸出電壓的關系
經過計算KA3525的2腳所需要輸入的電壓并將其轉化成單片機所需要的10位數字量，最后SPCE061A單片機將10位數字量左移6位寫入P_DAC1單元的高10位，進行D/A轉換成相應的3525芯片2腳給定電壓，實現(xiàn)對開關電源的步進調整。采樣電壓經A./D轉換后送LCD顯示，顯示精度可達0.01V。經多次測試，本電源輸出電壓可以0V～40V連續(xù)調整，歩進值0.1V， 最大輸出電流可達I0MAX=2.5A，電壓調整率Su=0.1%，負載調整率SI=0.2%，效率η=90%，試驗結果表明本數控電源方案切實可行。