基于89C51單片機的開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化設計

引言

開(kāi)關(guān)電源是利用現代電力電子技術(shù)控制功率開(kāi)關(guān)管(MOSFET，IGBT)開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率來(lái)穩定輸出電壓的一種新型穩壓電源。從上世紀90年代以來(lái)開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設備領(lǐng)域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源。利用單片機控制的開(kāi)關(guān)電源，可使開(kāi)關(guān)電源具備更加完善的功能，智能化進(jìn)一步提高，便于實(shí)時(shí)監控。其功能主要包括對運行中的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行檢測、自動(dòng)顯示電源狀態(tài)；可以通過(guò)按鍵進(jìn)行編程控制;可以進(jìn)行故障自診斷，對電源功率部分實(shí)現自動(dòng)監測;可以對電源進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流保護；可以對電池充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

開(kāi)關(guān)電源的系統結構

通信用-48V開(kāi)關(guān)電源結構圖如圖1所示：

圖1開(kāi)關(guān)電源結構圖

市電經(jīng)整流濾波和功率因數校正后得到高壓直流電，然后通過(guò)DC/DC變換電路得到所需要的直流電壓?？刂苹芈窂妮敵龆巳硬⑴c設定基準進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變功率開(kāi)關(guān)管的導通頻率或導通/截止時(shí)間進(jìn)行輸出穩定；另一方面，根據檢測電路提供的數據，經(jīng)保護電路鑒別，利用控制電路對整機進(jìn)行各種保護和蓄電池的充放電控制?？刂齐娐肥钦麄€(gè)開(kāi)關(guān)電源的核心部分，一般開(kāi)關(guān)電源的控制電路主要有檢測比較放大電路、電壓—脈沖寬度轉換電路(或電壓—頻率轉化電路)、時(shí)鐘振蕩器(或恒脈寬發(fā)生器)、基極驅動(dòng)電路、過(guò)壓過(guò)流保護電路以及輔助電源等電路組成。存在著(zhù)電路復雜，功耗大，靈敏度差，不能實(shí)現很好的控制等缺點(diǎn)。

采用單片機89C51模塊組成的控制電路，它具有可編程、功能強、控制簡(jiǎn)單、集成度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，并對原來(lái)的電路存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，其原理方框圖如圖2所示。

圖2單片機控制電源結構圖

本智能開(kāi)關(guān)電源利用通信用開(kāi)關(guān)電源的基礎電路，以高性能單片機89C51為控制核心，組成數據處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過(guò)對開(kāi)關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數據采樣與給定數據比較，從而調整和控制開(kāi)關(guān)功率管的工作狀態(tài)，同時(shí)監測輸出電流大小，進(jìn)行電流控制。其電路的工作原理為:市電經(jīng)整流濾波、功率校正電路PFC(Power Factor Correct)變成直流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在脈沖寬度調制電路(PWM)和單片機的控制下輸出穩定的直流電壓。用戶(hù)可根據需要通過(guò)鍵盤(pán)設定開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統自動(dòng)對電源輸出電壓和電流進(jìn)行數據采樣，并與用戶(hù)給定數據進(jìn)行比較，然后根據設置的調整算法控制開(kāi)關(guān)調整電路，使電源輸出電壓符合給定值。單片機在調整電源輸出電壓的同時(shí)還要檢測電路的輸出電流，當輸出電流超過(guò)給定值時(shí)，就啟動(dòng)保護電路，實(shí)現保護功能。為了使智能開(kāi)關(guān)電源能可靠、安全地工作，本系統設置了多重監測和保護系統，主要包括過(guò)流保護和短路保護。單片機系統通過(guò)電流傳感器檢測開(kāi)關(guān)功率管的輸出電流，當電流超過(guò)給定值，單片機系統切斷開(kāi)關(guān)激勵信號并發(fā)出聲光報警，并對電池工作狀況實(shí)施檢測。

控制電路

控制電路采用ATMEL公司的89C51單片機，擴展了A/D、D/A、鍵盤(pán)顯示、RS232通訊口電路。原理結構如圖3所示。

圖3控制電路原理結構圖

控制系統通過(guò)I/O輸入端口經(jīng)D/A轉換控制功率轉換的開(kāi)關(guān)的導通與關(guān)斷時(shí)間，完成對輸出電壓的穩定，通過(guò)A/D轉換完成對開(kāi)關(guān)電源輸出電壓和電流的采樣，通過(guò)系統軟件實(shí)現了過(guò)壓、過(guò)流保護及限流功能。同時(shí)采用雙閉環(huán)控制系統，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，采用電壓反饋由PWM控制實(shí)現對輸出電壓的穩壓功能，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán);在電池充電或過(guò)載時(shí)采用電流信號作為反饋，控制電池的充放電電流并實(shí)現過(guò)載保護的功能。為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，把單片機的高頻脈沖信號分頻后變成適宜的開(kāi)關(guān)脈沖信號，作為89C51的計數脈沖和門(mén)控信號。單片機把給定值與傳感器采集的信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號。根據電壓控制算法設置89C51產(chǎn)生不同占空比(0～90%)的方波信號，經(jīng)過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)調整電路電壓輸出。輸出端與開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行光電隔離，從而避免了來(lái)自開(kāi)關(guān)電源電路的騷擾信號對單片機系統正常工作的影響。

鑒于受控的開(kāi)關(guān)電路輸出電壓的高精度和快速調整特性，可采用改進(jìn)的 PID控制算法，該算法具有電壓調整快、超調量小、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。鍵盤(pán)與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數碼管，3個(gè)LED指示燈以及16個(gè)鍵構成，其中4位數碼管顯示電源電壓，4位數碼管顯示電流，3個(gè)LED指示燈作為報警顯示。