陳菁+張萬(wàn)

摘 要： 針對(duì)目前使用的開關(guān)電源幾乎都采用旋鈕開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的可變輸出電壓的電源，使其功能更加完善并提高智能化程度。它產(chǎn)生兩路47 kHz的PWM脈沖信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)MOS驅(qū)動(dòng)IC IR2104控制兩個(gè)BUCK電路。單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過(guò)電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋兩路的電流和電壓數(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)按鍵能設(shè)置輸出電壓的大小、液晶屏顯示實(shí)時(shí)輸出電壓與電流。測(cè)定顯示在額定電流1 A輸出的情況下，滿載的供電效率為82%，輸出電壓誤差小于0.15 V。

關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源； BUCK； STC單片機(jī)； IR2104； 可調(diào)輸出； 精確控制

中圖分類號(hào)： TN911?34； TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0091?04

Abstract： As the rotary switch is mostly used in the current switching power supply to regulate the voltage， which has low regulation precision， frequency hops and troublesome operation， a variable output voltage power supply based on the STC12C5A60S2 microcontroller was designed to further enhance its function and improve its intelligence level. The power supply produces two 47 KHz PWM pulse signals which control two BUCK circuits respectively by making MOS drive IC IR2104. The MCU with built?in 10?bit ADC can feed back the current and voltage values of the two signals in real time by voltage and current detection， and regulate the output duty cycle of PWM to form a voltage closed?loop control system. The button can be designed to set the output voltage value， and the LCD screen can display the real?time output voltage and current values. The test shows that the full?loaded power efficiency is 82% and the error of output voltage is less than 0.15 V under the condition of 1 A output rated power.

Keywords： switching power supply； BUCK； STC microcontroller； IR2104； adjustable output； precision control

0 引 言

20世紀(jì)50年代初，美國(guó)宇航局為了搭載火箭，開關(guān)電源應(yīng)運(yùn)而生，從此開關(guān)電源以小型化、輕巧化為創(chuàng)造目標(biāo)。在發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)后，開關(guān)電源技術(shù)越來(lái)越成熟，更因具備了體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、發(fā)熱低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，慢慢地取代了傳統(tǒng)電源技術(shù)下所制造的不間斷工作電源，在電子設(shè)備等各領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1?2]。然而，在電力電子器件方面，目前使用的幾乎都為旋鈕開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，造成使用上的麻煩。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的開關(guān)電源普遍存在的問(wèn)題有：多數(shù)使用模擬IC控制，控制式樣不夠智能化；不能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況；多數(shù)開關(guān)電源為固定輸出；可調(diào)的開關(guān)電源只能手動(dòng)通過(guò)電位器模擬調(diào)整，不能直接得到準(zhǔn)確的預(yù)設(shè)電壓[3?4]。

本文采用51單片機(jī)和斬波外圍電路設(shè)計(jì)出一種可調(diào)穩(wěn)壓電源，并且通過(guò)控制PWM調(diào)試不同的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電源的調(diào)制。采用單片機(jī)來(lái)控制開關(guān)電源，可使其功能更加完善并提高智能化程度，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)相關(guān)信息的反饋分析得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行中的開關(guān)電源進(jìn)行檢測(cè)、分析反饋信息并顯示電源狀態(tài)；設(shè)置相關(guān)按鍵進(jìn)行輸出電壓的精確控制；還能自動(dòng)監(jiān)測(cè)電源功率，對(duì)電源進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，提高設(shè)備的安全性，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等。

1 系統(tǒng)論述及整體結(jié)構(gòu)

直流?直流（DC?DC）變換是將固有的直流電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)整的電壓，又叫作直流斬波。它有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)應(yīng)用的是BUCK型直流/直流變換，其特征是輸出的電壓比輸入電壓低。當(dāng)MOS管或者三級(jí)管導(dǎo)通很長(zhǎng)時(shí)間后，所有的元器件均處在一種理想狀態(tài)的情況下，此時(shí)電容的電壓會(huì)等于輸入的電壓。

筆者設(shè)計(jì)的開關(guān)電源由STC單片機(jī)、BUCK主回路、降壓穩(wěn)壓電路、按鍵電路、液晶電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路等組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架圖如圖1所示。

1.1 單片機(jī)

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，其是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合[5]。endprint

1.2 IR2104半橋驅(qū)動(dòng)電路

IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動(dòng)式泵荷升壓原理。上電時(shí)，電源流過(guò)快恢復(fù)二極管D向電容C充電。C上的端電壓很快升至接近VCC，這時(shí)假如下管導(dǎo)通，C負(fù)極被拉低，形成充電回路，會(huì)很快充電至接近VCC。當(dāng)PWM波形翻轉(zhuǎn)時(shí)，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導(dǎo)通，C負(fù)極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時(shí)已超過(guò)VCC電源電壓。因有D的存在，該電壓不會(huì)向電源倒流，C此時(shí)開始向芯片里面的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電，C上的端電壓被充至高于電源高壓的VCC，只要上下管一直輪流導(dǎo)通和截止，C就會(huì)不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電，上管打開的時(shí)刻，高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設(shè)計(jì)難度，只要電容C選擇恰當(dāng)，該電路就會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行[6?7]。

1.3 電路供電電源的選擇

線性降壓芯片7805。這個(gè)穩(wěn)壓IC需要的外圍元件很少，IC內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)措施，不但價(jià)廉而且輸出電壓很穩(wěn)定[6]。

1.4 電流檢測(cè)電路

要完成對(duì)輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，務(wù)必對(duì)輸出電流經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后進(jìn)行采樣反饋。為了板子器件的安全，設(shè)定保護(hù)電流為1 A，即電流超過(guò)1 A，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用電阻分壓的式樣對(duì)輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。因?yàn)椴蓸与妷褐苯虞斔徒o單片機(jī)10位ADC進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)供電電源為5 V，所以其內(nèi)部自帶的檢測(cè)的最高電壓也為5 V。這個(gè)電路中，單片機(jī)由5 V電壓供電，最大輸出電壓和供電電源電壓之前有1.2 V壓差，所以能輸出最大電壓為3.8 V。1 A電流經(jīng)過(guò)0.020 Ω電阻得到的電壓為0.020 V，該電壓要經(jīng)過(guò)放大后才能更容易被單片機(jī)檢測(cè)到，在這個(gè)應(yīng)用中運(yùn)放的放大倍數(shù)，這里選擇R22和R20為33 kΩ和1 kΩ，放大倍數(shù)為符合設(shè)計(jì)要求。即當(dāng)電流為1 A時(shí)，運(yùn)放輸出電壓為。

1.5 電壓檢測(cè)電路

輸入電壓為40 V，而單片機(jī)的采樣電壓最高為5 V，故電壓采樣電阻比例應(yīng)該小于，這里取R1和R5分別為47 kΩ 和4.7 kΩ，，滿足條件。當(dāng)12 V輸入時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓

1.6 按鍵電路

目前，單按鍵這種模式的鍵盤使用方便，響應(yīng)快并且接口還簡(jiǎn)潔。綜合以上，本系統(tǒng)采用非編碼式鍵盤。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了4個(gè)按鍵，按照按鍵來(lái)定義它的功能，鍵盤與單片機(jī)的P2.3，P2.2，P2.1，P2.0鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備。

1.7 液晶顯示模塊

該系統(tǒng)采用1602液晶顯示。該液晶驅(qū)動(dòng)電流較小，能顯示較大信息量，如輸入/輸出的實(shí)時(shí)電壓、輸出的實(shí)時(shí)電流、預(yù)設(shè)的輸出電壓等，無(wú)需增外設(shè)電路。

總之，本開關(guān)電源采用STC12C5A60S2單片機(jī)產(chǎn)生的兩路47 kHz的PWM脈沖信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)MOS驅(qū)動(dòng)IC IR2104控制兩個(gè)BUCK電路。單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過(guò)電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋兩路的電流和電壓數(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。制作實(shí)物如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)物的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

做出電源的實(shí)物后，對(duì)電源的一系列參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)儀器有：兆信60/5 A數(shù)顯線性電源；4個(gè)深圳勝利VC980+數(shù)字萬(wàn)用表，負(fù)載為100 W的50 Ω環(huán)形滑動(dòng)變阻器，單片機(jī)輸出的載波頻率為40 kHz或47 kHz，Siglent雙通道200 MHz示波器[8?9]。

2.1 電壓調(diào)整率測(cè)試

輸出/輸入電壓測(cè)試結(jié)果如表1所示（測(cè)試條件為輸出電壓20 V，輸出電流1.00 A）。

2.2 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試[10]

把示波器的其中一個(gè)探針接到單片機(jī)的PWM輸出口，地接到另外一個(gè)端口，得到的測(cè)試波形如圖3所示， 把探針?lè)旁谏舷翸OS管腳G極的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

負(fù)載調(diào)整率：

2.3 額定功率下的供電效率測(cè)試[11]

供電效率測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

由以上數(shù)據(jù)得到，輸出噪聲紋波電壓峰?峰值的測(cè)試，示波器顯示測(cè)試輸出電壓為，該電源的電壓調(diào)整率為0.70%，負(fù)載調(diào)整率為0.21%，滿載輸出情況下，供電效率為82%。當(dāng)輸出電流大于2 A時(shí)，保護(hù)電路啟動(dòng)，輸出電壓為0，輸出紋波峰峰值為290 mV。

3 總 結(jié)

經(jīng)過(guò)研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于開關(guān)電源的方式，本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)產(chǎn)生的兩路47 kHz的PWM脈沖信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)MOS驅(qū)動(dòng)IC IR2104控制兩個(gè)BUCK電路。單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過(guò)電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋兩路的電流和電壓數(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設(shè)置輸出電壓從0～30 V的限度，液晶能顯示實(shí)時(shí)輸出電壓與電流。在額定電流1 A輸出的情況下，滿載的供電效率為82%。按鍵設(shè)置的輸出電壓的誤差小于0.1 V。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能并具有良好的運(yùn)行效果：使開關(guān)電源硬件更加智能化，直接用單片機(jī)控制；能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的運(yùn)作；能經(jīng)過(guò)按鍵數(shù)字化地設(shè)置預(yù)設(shè)輸出電壓，得到精確的設(shè)定電壓。

參考文獻(xiàn)

[1] PRODIC A， MAKSIMOIVIC D， ERICKSON R W. Design and implementation of a digital PWM controller for a high?frequency switching DC?DC power converter [C]// Proceedings of Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Denver： IEEE， 2002： 893?898.endprint

[2] 邱丙霞，王延明.淺析開關(guān)電源的分類及應(yīng)用[J].環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)，2013（24）：123.

QIU Bingxia， WANG Yanming. The classification and application of switching power supply [J]. Global Market Information Guide， 2013（24）： 123.

[3] 李逾暉.交直流開關(guān)電源數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

LI Yuhui. Research on design and key problems of NC system for AC/DC switching power supply [D]. Hanzhou： Zhejiang University， 2004.

[4] 梅陽(yáng)鳳.數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.

MEI Yangfeng. Design and implementation of digital switching power supply [D]. Guangzhou： Guangdong University of Technology， 2011.

[5] HAN Weimin， ZHAO Jianyu. Advances in computer， communication， control and automation [M]. Berlin： Springer， 2012： 329?336.

[6] 王超.MOSFET/IGBT半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2111的應(yīng)用研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2005，37（8）：57?59.

WANG Chao. Application research of MOSFET/IGBT half bridge driver chip IR2111 [J]. Mechanical & electrical engineering technology， 2008， 37（8）： 57?59.

[7] 吳愛春.基于高性能單片機(jī)的功率直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].硅谷，2012（3）：75.

WU Aichun. Supply design on DC switching power based on high performance MCU [J]. Silicon valley， 2012（3）： 75.

[8] JONES P L， SPREADBURY P J. Analogue electronic circuits and systems [M]. New York： Cambridge University Press， 1999： 45?62.

[9] 高宏洋.DC?DC直流轉(zhuǎn)換電源的設(shè)計(jì)[J].網(wǎng)友世界，2012（10）：30.

GAO Hongyang. Design of DC?DC DC conversion power [J]. Net friend world， 2012（10）： 30.

[10] FORGHANI?ZADEH H P， RINCON?MORA G A. Current?sensing techniques for DC?DC converters [C]// Proceedings of Midwest Symposium on Circuits & Systems. Tulsa： IEEE， 2002， 2（6）： 577?580.

[11] PERREAULT D J， SELDERS R L， KASSAKIAN J G. Frequency?based current?sharing techniques for paralleled power converter [J]. IEEE transactions on power electronics， 1998， 13（4）： 626?634.endprint