基于程控开关稳压电源设计

　　开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。由于拥有较高的效率和较高的功率密度，开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。开关电源高频化、模块化和智能化是其发展方向。其中，步进可调、实时显示是开关电源智能化研究方向之一。现设计开关电源，技术指标为：输出电压30V至36V可调，输出电流2A，有过流保护功能，能对输出电压进行键盘设定和步进调整、步进值1V，并能实时显示输出电压和电流的开关稳压电源。

　　1 总体设计方案

　　采用AT89S52单片机为控制，对普通的开关电源控制部分进行优化设计，并通过软件编程实现了对开关电源的智能控制。设计中采用隔离变压器将市电变压后通过整流滤波送至DC-DC升压变换器，经过一系列的控制整合电路之后可实现设计要求。系统总体框图如图1.1所示。

　　1．1 DC-DC主回路拓扑

　　采用UC3842和MAX4080构成DC-DC转换电路。UC3842是一块功能齐全、较为典型的单端电流型PWM控制集成电路，内包含误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。电流控制型升压DC-DC转换电路，外接元器件少、控制灵活、成本低，输出功率容易做到100W以上。当然，DC-DC转换电路也可以采用成品模块，若用PI公司生产的DPA-Switch设计开关电源具有集成度高、外围电路简单、发热量少、性能指标优良。

　　由UC3842设计的DC-DC升压电路直接用误差信号控制电感峰值电流，间接地控制PWM脉冲宽度，达到控制输出端电压的目的。开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量。当开关管导通时，电感充电，把能量储存在L中。当开关截止时，L产生反向感应电压，通过二极管把储存的电能释放到输出电容器中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少由通过电感电流的峰值来控制。具体设计电路如图1.2所示。

　　1．2 保护电路

　　在大电流的情况下容易损坏芯片，所以需要对大电流的情况给予电路保护。设计中采用单片机控制继电器的通断来控制电路中的电流，对输出电路电流采样，采样值与额定值比较，反馈比较电路如图1．3所示，当电流大于2．5A时，则产生信号使单片机进入中断处理程序，使继电器起动，实现DC-DC电路的断电，从而达到保护电路的作用。单片机控制电路如图1．4所示。该方案中单片机控制继电器的吸合时间短，而且易于实现。

　　1．3 数字设定及显示电路

　　采用AT89S52单片机和集成芯片CD4051实现程控和步进，用单片机控制键盘实现输出电压的初始设定，可以实现电压的步进1V，步减1V。使用液晶显示输出电压和电流，可拨动转换开关来选择显示电压／电流模式。

　　1．4 程序设计

　　在设计好相关电路的基础上，通过编程由单片机对开关电源进行智能控制。系统由单片机AT89S52控制，电源系统具有"＋‰"和"－"步进功能，步进幅度为1V。同时AT89S52结合继电器等电路实现了电路过流保护功能，并且能实时显示开关电源的输出电压和电流。程序总流程图和中断流程图如图1(5，6)所示。

　　2 提高效率

　　如何提高开关电源的效率显得尤为重要。在提高开关电源的效率上采取了如下措施。

　　2．1 DC-DC转换电路中电感在很大程度上影响系统的效率。市场上很难买到符合要求的电感，在绕制时对电感磁芯和漆包线的要求非常高，应将输出电压纹波降到。

　　2．2 DC-DC转换电路中开关管采用MOS管取代双极性晶体管，串联栅极电阻将衰减由MOS输入电容、栅一源电路引线电感所产生的高频寄生振荡。可有效提高转换效率，若选用几个MOS管IRF530并联，可进一步提高效率。

　　2．3续流二极管选择肖特基二极管，其开启时间短、管压降小，可使电感存储能量大，有利于提高电源转换效率。

　　2．4二极管、电感和MOS管的栅极尽可能地靠近焊接，这样可以减少损耗，有利于提高系统的效率。

　　3 测试数据和分析

　　3．1 电压调整率SU

　　电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出电压U0的变化率。用自耦调压器调节U2从15V到21V之间变化，在输出电流为2A时候，测量出输出电压，从而得到电压调整率SU。

　　3．2 负载调整率SI

　　负载调整率SI指I0在指定范围内变化时，输出电压U0的变化率。改变负载电阻，使输出电流在0～2A以内变化时，得到负载调整率数据如下。

　　3．3 DC-DC变换器效率

　　效率η=P0／PIN，其中P0=U0I0，PIN=UINIIN。用毫伏表在DC-DC模块端口直接读出输入和输出电压电流各值，可得变换器效率。

　　3．4 纹波电流

　　在开关电源设计中，MOS管源极接上1kΩ的电阻，电源滤波处加无极性电容，滤除高频纹波。电流纹波实测数据如下。

　　基于AT89S52的开关稳压电源具有良好智能控制和步进功能，测试数据表明电源系统具有较高的电压调整率和负载调整率，并具有很高的效率，电源在输出功率下能连续安全工作足够长的时间。当然可通过对MOS管及相关元器件选择、电路优化设计，或选择DC-DC成品模块可进一步提高电源性能。

  

参考文献:

[1]. AT89S52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52_970343.html.
[2]. UC3842 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/UC3842_1050366.html.
[3]. MAX4080 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX4080_1088764.html.
[4]. CD4051 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CD4051_1865305.html.
[5]. IRF530 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IRF530_836905.html.