《电气应用》 ·电力电子· !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! !""# 年第 !$ 卷第 期 % 基于单片机控制的输出连续可调开关电源的设计 陈念军 胡荣强 柏俊杰 （武汉理工大学自动化学院 武汉 ） !"##$# 摘 要 首先介绍基于单片机控制的输出连续可调开关电源的基本原理，并在此基础上详细 介绍这种开关电源的硬件系统结构、软件设计流程和控制算法，以及采用软件的方法实现 和 %(’ 调节，从而使系统的电压输出连续可调。 关键词 单片机 开关电源 %&’ %(’ %&’ 引言 ! 以单片机为核心的控制回路，在控制软件的支持下 对开关电源的输出电压、电流采样，并与给定的数 自 世纪 )# *# 年代以来，开关电源以其体积 据进 行 比 较，然 后 去 调 整 和 控 制 逆 变 器， 改 变 小、重量轻、效率高等优点，在邮电通信、军事装 备、交通设施、工业设备等领域得到广泛的应用， 管的导通频率或导通 ／截止时间以稳定 ’01(23 输出，并监测开关电源的工作状态。 并取得了显著的效益。近年来，随着新电子元器 件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的 # 开关电源的硬件系统设计 软件不断出现，使开关电源技术向着高可靠性、智 开关电源控制系统的组成 能化方向发展。本文介绍一种以 单片机 本开关电源的控制系统是以 *#+,-./+ 管 为 主 开 关 管， 用 、 为核 心， 以 %(’ 调节相结合的方法，使输出电压连续可调的 ’01(23 %&’ 开关电源。该开关电源利用单片机强大的控制能 #$! 片机 公司 位单 45678 ,. 为 控 制 核 心，扩 展 了 程 序 存 储 器 *#+,-./+ ，选用 )$.! 位 ／看门狗电路，与时钟电路一起构成单片机最小系 ’;<=>.-, ’9:4’ 公司生产的 组成复 力，改进了开关电源的控制系统，不仅满足开关电 统。单片机外部总线为 位。组成电路还包括输出 * 源的高性能和高可靠性的要求，同时还能对工作中 电压、输出电流、输入电压等采集信号的调理电路， 的开关电源进行检测、自动显示电源状态。 脉宽输出信号驱动电路，过流、过压保护电路，人机 开关电源工作原理 " 本开关电源原理框图如图 , 交互接口电路。控制系统组成如图 所示。 ) 所示。电网电压通 过输入回路中的整流器和滤波器转换为直流电压输 入高频变换器，高频变换器则把输入的直流电压转 变为高频脉冲方波电压，该脉冲方波通过输出回路 中的高频整流器和滤波器变成直流电压供给负载。 图 开关电源控制系统组成原理框图 ) 输出电压、输出电流、输入电压等采集信号调 理电路主要由精密运算放大器组成，通过差动、比 例运算放大，消除信号的共模干扰，把采集信号调 图 , 开关电源工作原理框图 — !"" — 位 9 ,# ／ A 理成标准的 电压信号。 #!?@ *#+,-./+ 具有 路 * 转 换 器， 调 理 后 的 标 准 信 号 经 过 

基于单片机控制的输出连续可调开关电源的设计 期 ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 《电气应用》 !""# 年第 卷第 !$ % 、 !"#% !"#$ 内。 和 !"#& 接入到 ’$"%()*" 单片机 开关电源的软件设计 $ +,- 机高速输出口 输出驱动电路主要是把 输出的由软件产生的 #./$ ’$"%()*" 单片 的 +,- $"% 软件的设计思想及流程 本开关电源是一个新型的智能的输出连续可调 信号首先通过快速光电隔离耦合器，然后通过三极 的开关电源，输出电压范围宽，单独采用 或 +,- 管进行驱动放大。 过流、过压保护主要由传统的继电器，组合逻 辑电路组成。当单片机控制电路检测到输出过压、 +5- 采用 +,- +5- 件设计中，主要采用 调节都很难达到理想效果，因此本开关电源 和 调节相结合的调节方法。在软 调节方法来实现开关电 过流，输入过压的时候， 单片机输出开 源的粗调，采用 调节方法实现开关电源的细 ’$"%()*" 关量，开关量输入组合逻辑电路，执行相应的应急 调。根据实际情况，把输出电压的调节域分成若干 +5- +,- 处理。 调节挡，采用查表的方法求出对应的输出调节频 人机交互接口是本开关电源很重要的一个特 率。然后在相应的调节域内根据设定值和输出值的 色。考虑到开关电源的商业化、产品化的需要，选 偏差采用 进行调节。 +,- 用 012 3$() （英寸） 色彩色液晶触摸屏及相应的智 本软件采用结构化、模块化程序设计方法。它 能控制终端。单片机的数据可通过 总线送到液 主要包括软件初始化模块、 采样模块、控制算 4&" !9 晶触摸屏显示出来，触摸屏的触摸坐标可以通过串 法模块、符点数运算模块、触摸屏显示及处理模块 行口输入到单片机。既以通过触摸显示出开关电压 等。主程序流程图如图 的柱状图，指针图以及电源的工作状态；也可以触 摸屏设定开关电源的输出电压及其他相关参数。 !"# 高频变换电路的组成 本开关电源需要具有可调输出电压的功能，必 所示。 3 须采用 和 相结合的调节方法，选择合 +,- +5- 适的高频变换电路也是开关电源可靠工作的关键。 设计时，选用双 换电路，如图 8 -/.567 所示。 管组成反激半桥高频变 图 8 反激半桥高频变换电路 该电路中的高频变压器 一次绕组通过两个 7% 场效应管接向工频整流后的直流电源，这两个场效 应管同时导通、同时关断。场效应管开通时储存能 量；断开时，磁场能量转化成电能供给负载。这种 图 电路适用于固定频率、可变频率、完全和不完全能 $"# 开关电源主程序流程图 3 软件的控制算法 量传递的应用场合。 其他的工频整流、滤波电路以及高频整流滤波 电路均选用普通开关电源常用的电路形式。 开关电源系统通过采集输出电压值，构成电压 闭环。软件中应用了经典的 控制算法。对于 +49 某一输出范围内的电压，它的频率是常值，这时可 以采用恒频 +,- 调节方法。 +,- 脉冲宽度高电 — — !"" 

年第 《电气应用》 基于单片机控制的输出连续可调开关电源的设计 ############################################################## # 平时间 可以采用下式描述 应用领域。 !""# 卷第 !$ 期 % !!" ） # （ " !!" $#% （ " ） &"$! ） （ ’ % &$& ［ % （ " ） （ "(’ ）］ (% $ ’#% 其中 $$# $# ! !$ !& ! ； $& # $# ）是反馈的输出电压和设定电压的偏 式中， （ " % 差； 是 比 例 调 节 系 数； 是 积 分 调 节 系 数； $# 是微分调节系数； $& 积分时间常数； !& !& $$ 是采样周期常数； 是 !$ 是微分时间常数。 由于开关电源控制系统在调节过程中，目的是 为了得到稳定的电压输出，消除电压偏差，故在 参数整定过程中尽量增大积分环节的调节系 #$& 数，减小微分环节的调节系数。 结束语 ! 采用上述方法设计了一个输出为 (%%!)%%* 线性可调的开关电源，它的电路简单，输出稳定， 可靠性强，并且带有液晶触摸屏，具有良好的人机 交互界面，不仅美观，而且操作非常方便。该电源 目前已应用在某公司采韵系列医学美容设备上，运 行效果良好。另外该电源采用单片机控制，可以在 软件算法上不断地进行优化，改进电源的输出性能 和品质参数；在硬件上也可以进行扩展，扩大它的 参考文献 张占松，蔡宣三 + 工业出版社， ,%%, 开关电源的原理与设计 北京：电子 + 沙占友 + 新型单片开关电源的设计与应用 北京：电子 + 工业出版社， 万建淳 +)%-) 技术出版社， ’--. ,%%’ 单片机原理与应用技术 天津：天津科学 + 曹承志 + 微型计算机控制新技术 + 北京：机械工业出版 社， ,%%’ ’ , ( / "#$%&’()*+%,-.%’&/(0#1(+#2 *34456+%,.7(’,%’3(3$8’090:3$,8;5#<3,43, 7(’,2(55#0;6*%’&5#7.%4/%-2(=7(>43,#2 )*%+,-.+’/+ （ 01234546789:6;<=>?8@24=A=B< ） 9;$,28-, C69:;A<;28D964@6DA8=>:E6;@264BF=G8D=E89:1DDA< E6;2@=4;641=1:34G3GH1:;3IA8=1;D1;@=4;9=AA8GI<:64BA8@26D ， ， 6@9=J@=FD1;896:64;9=G1@8G ;28:;91@;198=>239GE398:<:;8F :=>;E398>A=E34G@=4;9=A396;2F8;6@;28439864;9=G1@8G64G8J ， ;36A 34G;28@=4;641=1:34G3GH1:;3IA8=1;D1;@=4;9=AA8GI< #0K L #CK64;28:=>;E398F8;2=G6:3@26878+ ?#6+(20$ :64BA8@26DF6@9=J@=FD1;89 :E6;@264BF=G8D=E89 :1DDA< D1A:8E6G;2F=G1A3;6=4 D1A:8>98M184@4#’$8,(2%’1(+#2*6$,#> N/ O6P;2O=1;283:;894OA184@8=>F=G8=>=D893;6=4=>;28 ， OOOU=4;28:F3AAG6:;19I34@834G;934:684;:;3I6A6;<=>3 93G63AD=E89:<:;8F+$VVV ?934:3@;6=4:=4 #=E89O<:J ， ;8F: ， ,% ）： （ , -(N!-/, ,%%N ， ， 0*1/2/+3/ （ C=:234#=E89&6:D3;@264BU84;89=> ） W134BG=4BVA8@;96@#=E89U=FD34< 9;$,28-, ?28:;91@;19834G F8@2346:F=>;28@=FD84:3;=9 ， （ OOOU ）， 39864;9=J ’N W" #6AA36 R964G3F W2=:2 R7643:2T=:26+?=9:6=43A64J @3AA8G:;3;6@:<4@29=4=1::8968:@=FD84:3;=9 ;893@;6=4:;1G68:=43D=E89:<:;8F@=FD84:3;8GI6P8G@3D3@6;=9+$VVV?934:3@;6=4:=4#=E89&8A6789< ， ,%%( ’) ）： （ ( -))!--( ’. "39364WX64B=9346 ， ： Y=9Z $VVV#98:: ,%%% ， S3:QA=W<1B<6+54G89:;34G64B>3@;:+"8E G1@8G+?283DDA6@3;6=4:=>OOOU64 D=E89:<:;8F:398G6:J @1::8G+?2898:839@2:;3;1:=>OOOU 2=F834G3I9=3G6:98J 768E8G+?28G6>>8984@8:I8;E884OOOU34G>6P8G:8968:@3D3@6;=9 398@=FD398G3:E8AA3:3736A3IA8@=4;9=AA8G:8968:@=FD84:3;=9:+ ?#6+(20$ :;3;6@:<4@29=4=1::8968:@=FD84:3;=9 @19984; @=4;9=A ;934:D=9;@3D3@6;<=>8A8@;96@D=E89 D=939<:;3I6A6;< D=E8976I93;6=4 收稿日期： ,%%N %. ’[ — 455 —