基于MCU控制的開關電源穩壓電路設計

李淑紅++邢軍

摘 要： 設計了一款基于MCU控制的開關電源穩壓電路，該系統主要由整流濾波電路、推挽式功率變換電路和控制電路組成，并通過MCU調節PWM控制開關電源輸出電壓。MCU輸出的數字信號通過DAC0832轉換為模擬信號，該模擬信號作為開關控制芯片SG3525第二管腳的基準電壓，SG3525根據基準電壓的變化自動產生PWM控制脈沖，調節開關管的輸出脈寬，從而達到調節輸出電壓的目的。實驗表明，輸出電壓可調范圍為28～36 V，最大輸出電流Imax=15 A，開關電源的效率為η=89%。

關鍵詞： 開關電源； MCU； SG3525； 穩壓電路

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0139?03

傳統的開關穩壓電源通常以模擬脈寬調制芯片為核心控制開關電路、整流電路等完成穩定電壓輸出。隨著數字控制技術的發展，單片機、數字信號處理器等數字芯片也逐漸參與到開關電源的設計當中，帶來了可編程性、高集成度、高擴展性等優點。本文設計了一種基于AT89S51單片機芯片的智能開關穩壓電源，該電源以微控制器（MCU）為核心，利用單片機AT89S51與SG3525專用控制芯片相配合，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。充分發揮了數字信號處理器及微控制器的優勢，該電源具有高輸出精度、高效率、自動調壓、性能可靠等特點。

1 系統總體設計

其系統方框圖如圖1所示。

本設計選用推挽式功率變換器[1]，該功率變換器主要由開關管和高頻變壓器組成，其工作原理是利用開關管的交替導通和截止使高頻變壓器原邊產生交變電流，以電磁耦合的方式將能量傳遞給高頻變壓器副邊，用以驅動直流負載。

AC輸入220 V（經過整流濾波之后大約是DC 20～29 V），輸出20～36 V，這是一個DC?DC升壓過程。

如圖2所示為推挽式開關電源的典型電路。電路使用兩個開關管VT1和VT2，兩個開關管在脈寬調制集成控制器SG3525的控制下交替的導通與截止，在變壓器T次級繞組得到升壓的方波脈沖，經整流濾波后變為所需要的直流電壓。這種電路結構的特點是：對稱性結構，脈沖變壓器的原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管對稱且輪流通斷。

2 電路設計

設計思路：利用AT89S51單片機擴展D/A轉換器，不斷檢測電源的輸出電壓，根據電源輸出電壓與基準電壓值之差，由單片機控制PWM芯片調整D/A轉換器的輸出，間接控制電源的工作。這種方式中單片機已加入到電源的反饋環中，代替原來的比較放大環節。該開關電源以AT89S51單片機為控制芯片，通過單片機調節控制開關電源輸出電壓的步進，步進增減為1 V。單片機輸出的數字信號通過DAC0832轉換為模擬信號，該模擬信號作為開關控制芯片SG3525第二管腳的基準電壓，SG3525根據基準電壓的變化自動產生PWM控制脈沖，調節開關管的輸出脈寬，從而達到調節輸出電壓的目的[2]。實現了開關電源的可靠工作。如圖3所示為控制部分電路連接圖。

由于本設計采用AT89S51單片機，它本身不帶D/A轉換器，經轉換后輸出信號為數字信號，而PWM芯片SG3525采用模擬信號控制，故需要經過D/A轉換，再把模擬信號與SG3525的第二引腳即同相輸入端相連給SG3525提供基準電源。本設計采用P0口為8位數據傳輸口，單片機的振蕩電路采用內部時鐘電路：利用AT89S51單片機的內部一個高增益的反相放大器，把一個晶振和兩個電容器組成自激振蕩電路，接于XTAL1和XTAL2之間。這樣振蕩器發出的脈沖直接送入內部時鐘電路，該系統中晶振選用石英晶體，振蕩頻率為12 MHz，電容器為33 pF電容，XTAL1，XTAL2為單片機提供頻率為12 MHz的頻率，RST是系統復位，系統復位后使單片機開始工作。由于輸出單極性模擬電壓為-5 V，參考基準點電壓為+5 V，還需要加一個運算放大器LM741，R13和R14都取10 kΩ，其電路圖如圖3所示。

[Uo=-IR1=-R14R13×U1=5 V]

控制芯片SG3525的應用電路如圖4所示，電源控制芯片SG3525的第11，14腳交替輸出觸發脈沖，控制VT1，VT2交替導通，實現電源的工作。

此過程將前端的直流信號轉變成交流信號，再經過輸出整流和濾波電容將交流轉變成直流[3]，完成整個變換過程。

輸出電壓的可調整與穩壓控制：開關電源是借助晶體管的開/關來實現能量交換的，其輸出控制由晶體管的導通時間決定，本文采用PWM控制晶體管導通的占空比。單片機輸出的數字信號通過DAC0832轉換為模擬信號，該模擬信號作為開關控制芯片SG3525第二管腳的基準電壓，SG3525根據基準電壓的變化自動產生PWM控制脈沖，調節開關管的輸出脈寬。要提高輸出電壓，只需調寬控制脈沖有效電平的寬度即可。同理，其穩壓過程也是基于此原理。

3 軟件程序的設計

軟件流程圖如圖5所示。AT89S51單片機內部具有2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器?？梢造`活地配置給各模塊使用以及工作于低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率；SG3525 作為單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。使得整個電路不需要任何擴展就能完成對電源輸出電壓的實時采集、PWM輸出。

本設計的電路結構極為簡單。軟件采用C語言編寫，整個程序包括的子模塊有：按鍵消抖模塊、A/D電壓采集模塊和PWM波控制模塊等幾個部分。

開機時單片機初始化，兩數碼管均顯示0，負載上沒有電壓，當按下鍵盤上任一鍵，就使單片機的程序進入外部中斷1，在此中斷服務程序中，先延時消除按鍵的抖動，再判斷是否有鍵按下，無鍵按下就返回主程序，有鍵按下了，根據按下鍵的鍵號來產生相應的操作，執行完后返回主程序。按K1鍵來判斷要調整的數位，每按一次，數碼管顯示00和01不斷的交替，00表示要調整的是十位，01表示要調整的是個位。按K2鍵，使相應的數位加1，按K3鍵，使相應的數位減1，兩數碼管分別顯示電壓的調節的過程，用寄存器R3保存十位數值，用寄存器R5保存個位數值。通過按K2和K3調出一個數據，當按下K4時，將R3和R5兩個寄存器中的數組成一個十進數送DAC0832，完成數模轉換。在程序中用寄存器R3和R5存數，有利于十進制數的兩位分別調試和組合[5]。程序中用到外部中斷0和外部中斷1，外部中斷0用來在數控電源的輸出電流過大時，起保護作用。關閉D/A轉換。由于過流保護作用的重要性，它的中斷優先等級設為高級。外中斷1用在4個按鍵的操作上，分別是數位選擇鍵K1，增加鍵K2，減少鍵K3和D/A轉換鍵K4[5]。

按鍵消抖模塊：當檢測到按鍵狀態變化后，先等待10 ms 左右的延時時間，讓抖動消失后再進行1次按鍵狀態檢測，如果與剛才檢測到的狀態相同，就可以確認按鍵已經穩定的動作。通過AT89S51實現負載電壓的設定與顯示。A/D電壓采集模塊：通過DAC0832的8位A/D轉換模塊，對系統輸出的電壓值進行采集。

PWM波控制模塊：利用AT89S51單片機的RAM定時計數器的比較功能，產生驅動MOSFET的信號，對系統輸出電壓進行控制，使輸出電壓穩定。

4 實驗結果

本文設計了基于AT89S51控制的一種開關電源。該電路可以將交流電變換成直流電，通過SG3525芯片的控制實現自動穩壓的功能，得到幅度穩定、波形優良、頻率穩定的電壓。采用脈寬調制（PWM）方式。為了降低電磁干擾，開關頻率設計為53 kHz。在設計中控制芯片采用SG3525、驅動電路采用脈沖變壓器隔離的推挽功率放大電路，實驗得到波形如圖6所示。輸出電壓Uo為2～36 V可調，最大輸出電流Imax=1.8 A。DC?DC轉換器的效率η=89%。

5 結 語

與傳統的開關穩壓電源相比，該電源使負載的發光效率提高，電源設備的功耗大大降低。而且輸出電源電壓波形優良，頻率穩定，控制方便，開關電源帶負載能力比傳統的方法在可靠性和效率方面都有所提高。

參考文獻

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