单片机控制下可变输出电压的电源设计

单片机控制下可变输出电压的电源设计

吕志华

山东华宇工学院山东德州253034

摘要：20世纪50年代初，美国宇航局为了搭载火箭，开关电源应运而生，从此开关电源以小型化、轻巧化为创造目标。在发展了半个多世纪后，开关电源技术越来越成熟，更因具备了体积小、重量轻、性能稳定、发热低、转换效率高等优点，慢慢地取代了传统电源技术下所制造的不间断工作电源，在电子设备等各领域具有广泛的应用。然而，在电力电子器件方面，目前使用的几乎都为旋钮开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，造成使用上的麻烦。目前国内外学者研究的开关电源普遍存在的问题有：多数使用模拟IC控制，控制式样不够智能化；不能显示输入和输出的电流电压状况；多数开关电源为固定输出；可调的开关电源只能手动通过电位器模拟调整，不能直接得到准确的预设电压。本文采用51单片机和斩波外围电路设计出一种可调稳压电源，并且通过控制PWM调试不同的占空比来实现输出电源的调制。采用单片机来控制开关电源，可使其功能更加完善并提高智能化程度，可以通过监测相关信息的反馈分析得到实时数据，对运行中的开关电源进行检测、分析反馈信息并显示电源状态；设置相关按键进行输出电压的精确控制；还能自动监测电源功率，对电源进行过压、过流保护，提高设备的安全性，进行实时控制等。

关键词：开关电源；BUCK；STC单片机；IR2104；可调输出；精确控制

1系统论述及整体结构

直流?直流（DC?DC）变换是将固有的直流电压转换成可调整的电压，又叫作直流斩波。它有多种拓扑结构，本系统应用的是BUCK型直流/直流变换，其特征是输出的电压比输入电压低。当MOS管或者三级管导通很长时间后，所有的元器件均处在一种理想状态的情况下，此时电容的电压会等于输入的电压。笔者设计的开关电源由STC单片机、BUCK主回路、降压稳压电路、按键电路、液晶电路、电压检测电路、电流检测电路等组成。

1.1单片机

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，其是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

1.2IR2104半桥驱动电路

IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。上电时，电源流过快恢复二极管D向电容C充电。C上的端电压很快升至接近VCC，这时假如下管导通，C负极被拉低，形成充电回路，会很快充电至接近VCC。当PWM波形翻转时，芯片输出反向电平，下管截止，上管导通，C负极电位被抬高到接近电源电压，水涨船高，C正极电位这时已超过VCC电源电压。因有D的存在，该电压不会向电源倒流，C此时开始向芯片里面的高压侧悬浮驱动电路供电，C上的端电压被充至高于电源高压的VCC，只要上下管一直轮流导通和截止，C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电，上管打开的时刻，高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。采用该芯片降低了整体电路的设计难度，只要电容C选择恰当，该电路就会稳定运行。

1.3电路供电电源的选择

线性降压芯片7805。这个稳压IC需要的外围元件很少，IC内部还有过流、过热及调整管的保护措施，不但价廉而且输出电压很稳定。

1.4电流检测电路

要完成对输出电压和电流的闭环控制，务必对输出电流经过运放放大后进行采样反馈。为了板子器件的安全，设定保护电流为1A，即电流超过1A，系统进入保护状态。本设计采用电阻分压的式样对输出的电压进行实时检测。因为采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测，单片机供电电源为5V，所以其内部自带的检测的最高电压也为5V。这个电路中，单片机由5V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之前有1.2V压差，所以能输出最大电压为3.8V。1A电流经过0.020Ω电阻得到的电压为0.020V，该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到，在这个应用中运放的放大倍数β<190，这里选择R22和R20为33kΩ和1kΩ，放大倍数为β1=34符合设计要求。即当电流为1A时，运放输出电压为Vout=0.68V。

1.5液晶显示模块该系统采用1602液晶显示。

该液晶驱动电流较小，能显示较大信息量，如输入/输出的实时电压、输出的实时电流、预设的输出电压等，无需增外设电路。总之，本开关电源采用STC12C5A60S2单片机产生的两路47kHz的PWM脉冲信号，分别经过MOS驱动ICIR2104控制两个BUCK电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈两路的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电压闭环控制系统。

2充电控制技术

2.1定时控制

此类控制方法十分简单，主要实用范围是恒流点充电法。既采用恒流电充电法，根据电池的充电情况以及具体的容量大小，确定电流所需的充电时间。具体充电过程中，在预订充电万仇，定期器可以发出信号，让充电器能快速停止充电，或者可以转移充电器让其保持在浮充的维护状态，这样能避免电池充电时间过程出现的大电流长时间充电。定时充电的缺点：电池的容量在充电之前很难知道，所以充电过程中由于电池长时间运行造成发热严重，能损坏电池的电量，并很难确定电池的充电时间。电池的充电时间在无法根据电池状态进行调整的情况下，会出现电池组中的电池充电了不足，甚至很多电池会出现过充电的情况，所以这种充电方式只能适用于充电功率地域0.3C的恒流充电。

2.2电池电压控制

最高电压控制法从充电特征的曲线中能了解到，电池电压在达到最大值的时候，电池就能充足电，此刻需要快速的停止充电。适用该方法的缺点是，电池在电量充足的情况下随着电压环境的升高，温度也会升高，充电的速率也会加快，适用此方法将很难判断出电池是否已经充足电。

3控制电路的工作原理和设计实现

3.1主控电路

主控电路由四大部分组成分别是：（1）电流控制回流。（2）充电电流和容量显示电路。（3）检测取样电路。（4）报警电路。开关电源在电路当中由于各种因素，非常容易出现故障。因此在选择开关的型号和种类时便需要认真考虑，针对电路的实际情况进行选择。

3.2变压器

在选用变压器时，必须要使用高频变压器，这种变压器的性能相对较好，但对磁性材料的使用有着较高的要求。变压器对于能够给予电路稳定的电压输出，使得电路在工作时能够减少受到的电压冲击.

结束语：

经过研究国内外关于开关电源的方式，本开关电源设计采用STC12C5A60S2单片机产生的两路47kHz的PWM脉冲信号，分别经过MOS驱动ICIR2104控制两个BUCK电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈两路的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电压闭环控制系统。按键能设置输出电压从0~30V的限度，液晶能显示实时输出电压与电流。在额定电流1A输出的情况下，满载的供电效率为82%。按键设置的输出电压的误差小于0.1V。本设计实现了以下功能并具有良好的运行效果：使开关电源硬件更加智能化，直接用单片机控制；能显示输入和输出的电流电压状况，实时监测电源的运作；能经过按键数字化地设置预设输出电压，得到精确的设定电压。

参考文献：

[1]邱丙霞，王延明.浅析开关电源的分类及应用[J].环球市场信息导报，2013（24）：123.

[2]梅阳凤.数字开关电源的设计与实现[D].广州：广东工业大学，2011.23