一種基于單片機的數控開關電源的設計應用

　　1、引言

　　現實的生活和實驗中，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定，輸出電壓精度高，并且調節范圍大的電壓源，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，可調節范圍過小，不能滿足特定電壓的要求，輸出不夠穩定，紋波電流過大，并且普遍采用可調電阻器調節，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組成

　　本數控開關電源，采用凌陽單片機實現對基于PWM控制的不對稱半橋式功率變換器的數字控制，實現直流輸出電壓0V～40V設定和步進值為1連續調整，最大輸出電流為2A。同時實現了對輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統框圖如圖1所示。系統主要包括： 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、觸發器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環節。KA3525的1和2腳是內部運算放大器的輸入端，系統中單片機的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。