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基于单片计算机机的开关电源研究
基于单片计算机的开关电源研究
——不对称半桥反激式开关电源
摘要开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开关管(MOSFET,IGBT)开通和关断的时间比率来调节输出电压的一种新型稳压电源。
各种电子、电器设备领域都已广泛地使用了开关电源。
利用单片机控制的开关电源,可使开关电源具备更加完善的功能,智能化进一步提高,便于实时监控。
其功能主要包括对运行中的开关电源进行检测、自动显示电源状态;通过按键进行编程控制。
本文将采用AT89C52控制不对称半桥反激开关电源,实现了一个15V到20V的直流稳压电源,电压的大小可通过键盘来改变,输出电压经模数转换输入单片机内,并通过二位数码管显示。
不对称半桥反激变流器主回路用的是二个MOSFET实现电源的控制,其控制原理是用电压控制模式,单片机输出需要的电压大小至TL494的IN+端,与主回路返回电压进行比较控制输出占空比的大小,进而控制输出直流电压的大小。
关键词反激变流器,单片机,开关电源
ABSTRACT
Switchingpowersupplyistheuseofmodernpowerelectronicscontrolpowerswitch(MOSFET,IGBT)turn-onandturn-offtimeratiotostabilizetheoutputvoltageofanewpowersupply.Avarietyofelectronicandelectricalequipmenthavebeenwidelyusedinthefieldofswitchingpowersupply.Controlledby
singlechipswitchingpowersupply,switchingpowersupplycanhaveamoresophisticatedfeaturestofurtherenhancetheintelligent,easyreal-timemonitoring.Itsfunctionsincludetheoperationoftheswitchingpowersupplyfortesting,automaticdisplayofpowerstatus;beprogrammedthroughthebuttoncontrol.
ThisarticlewilluseAT89C52controlswitchasymmetricalhalf-bridgeflybackpowersupply,achievinga15VDCto20Vpowersupply,voltagethroughthekeyboardtochangethesizeoftheoutputvoltagebythemicrocontrollerADCinput,andthroughtwodigitaltubedisplay.Asymmetricalhalf-bridgeflybackconverterisUsedfortwoMOSFET,thecontrolprincipleiscomposedofvoltagecontrolmodeofTL494,theoutputvoltagerequiredsizeofthemicrocontrollertotheTL494theIN+terminal,andreturntothemaincircuitvoltagecontroloutputdutycyclecomparisonsize,andthencontrolthesizeoftheoutputDCvoltage.
KeyWords:
Flybackconverter,Single-ChipMicrocomputer,SwitchingPowerSupply
目录
1.绪论1
1.1开关电源1
1.1.1线性稳压电源概述1
1.1.2开关电源概述2
1.1.3数字开关电源3
1.1.4数字电源的特点3
1.2软开关技术4
1.2.1硬开关与软开关4
1.2.2零电压开关与零电流关断5
1.3论文研究的内容6
2.反激式开关电源的系统总述6
2.1反激式开关电源的系统框图6
2.2反激式开关电源的工作原理7
3.主电路硬件设计7
3.1EMI、整流滤波电路7
3.1.1EMI产生的原因7
3.1.2EMI滤波器具体设计8
3.2不对称半桥反激变流器9
3.2.1不对称半桥工作原理9
3.2.2不对称半桥变压器参数设计13
3.2.3开关管和整流管的选取14
3.2.4隔直电容设计14
3.3不对称半桥控制电路设计14
3.4辅助电源设计15
4.控制回路硬件设计15
4.1电压检测电路16
4.2A/D转换16
4.2.1A/D转换器ADC0804简介16
4.2.2ADC0804工作原理:
18
4.2.3ADC0804和单片机的连接20
4.3单片机AT89C5221
4.4D/A转换25
4.4.1DAC0832简介25
4.4.2DAC0832的工作方式:
27
4.5驱动电路27
4.5.1稳压电路27
4.5.2放大电路28
4.5.3有源低通滤波器设计29
4.5.4驱动芯片TL49430
4.5.5非隔离的不对称半桥驱动电路33
4.6按键与LED数码显示34
5软件设计36
5.1单片机系统软件流程图36
6.结束语37
参考文献38
附录139
附件143
附件244
致谢45
1.绪论
数字开关电源具备直接监控、处理并适应系统条件的能力,能满足任何复杂的电源要求。
此外,数字电源还可通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性,包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。
数字电源具有高性能和高可靠性的特点,其设计非常灵活。
本文主要介绍了基于单片机AT89C52的反激式半桥开关电源设计。
正激式是只有在开关管导通的时候,能量才通过变压器或电感向负载释放,当开关关闭的时候,就停止向负载释放能量。
反激式是在开关管导通的时候存储能量,只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。
1.1开关电源
1.1.1线性稳压电源概述
线性稳压电源是指稳压电源电路中的调整功率管工作在线性放大区。
其工作过程为:
将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后、再经过整流、滤波和线性稳压、最后输出一个纹波打压和稳定性能均符合要求的直流电压。
线性稳压电源的优点是:
(1)电源稳定度及负载稳定度高;
(2)输出波纹电压小;(3)瞬态响应速度快;(4)线性结构简单,便于维修;(5)没有开关干扰。
缺点是:
(1)功耗大、效率低,其效率一般只有45%;
(2)体积大、重量重、不能微小型化;(3)必须有较大容量的滤波电容。
造成这些缺点的原因是:
线性稳压电路中的调整管在电源的整个工作过程中,一直是工作在晶体管特性曲线的线性放大区。
调整管本身的功耗与输
出电流成正比。
这样调整管本身的功耗就会随电源的数出功率的增大而增大,使调整管急剧地发热。
为了保证管子能正常工作,除选用功率大的管子外,还必须给管子加上较大的散热片。
线性稳压电源使用了50Hz工频降压变压器,通常,这种变压器的效率中有80%-90%,这样不但增加了电源的体积和质量,而且也大大降低了电源的效率。
由于线性稳压电源的工作频率较低,为50Hz,所以,要降低输出电压中波纹电压峰峰值,就必须增大滤波电容的容量。
1.1.2开关电源概述
开关电源是由全波整流器、开关管、激励信号、续流而极管、储能电感和滤波电容组成。
实际上,开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器,它是把直流转换成交流,然后又把交流转换成直流的装置。
开关电源的优点:
(1)功耗小,效率高,开关稳压电源电路中的晶体管在激励信号的激励下,它交替地工作在导通——截止和截止——导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右。
这使得开关晶体管的功耗小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可以达到80%。
(2)体积小,重量轻。
在实际电路中没有采用笨重的工频变压器,由于调整管上的耗散功率大幅度降低以后,又省去了较大的散热片。
(3)稳压范围宽。
开关电源的数出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,这样,在工频电网电压变换较大时,它仍能保证有较稳定的数出电压,所以开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。
(4)滤波的效率大为提高,是滤波电容的容量和体积大为减小。
开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源的1000倍。
开关电源的缺点:
存在较为严重的开关干扰。
在开关电源中会产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰假如串入工频电网,会使附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
1.1.3数字开关电源
数字电源的含义主要包括:
一是通过数字接口控制模拟开关稳压器;二是用数字电路取代开关稳压器中的模拟电路。
通过数字接口控制模拟开关稳压器。
通过数字接口控制开关稳压器,包括通过I2C或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序,动、裕度控制、加电和断电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。
用数字电路取代开关稳压器中的模拟电路。
用数字电路彻底取代开关稳压器中的所有模拟电路。
这样将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调节和销售。
通过编写几行简单的代码,一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、SEPIC、反激式或正激式转换器。
甚至用ADC和DSP取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关稳压器也仍然需要电压基准、电流检测电路和开关或FET驱动器。
此外,电感器或变压器和电容器在实现数字电源时也是不能没有的。
1.1.4数字电源的特点
数字电源系统的特点主要有:
一是以数字信息构成智能化开关电源;二是模拟组件与数字组件优化组合;三是电源系统单片集成化;四是数字电源达到高技术指标。
以数字信息构成智能化开关电源。
以数字信号处理器或微控制器为核心,将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。
传统的由微控制器控制的开关电源,一般只是控制电源的启动和关断,并非真正意义的数字电源。
本文中使用的数字信号处理器为单片机AT89C52。
模拟组件与数字组件优化组合。
采用“整合数字电源”(FusionDigitalPower)技术,实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。
本文中的MOSFET驱动器为TL494。
电源系统单片集成化。
高集成度,实现了电源系统单片集成化(Powersystemonchip),将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中。
数字电源达到高技术指标。
能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势,使所设计的数字电源达到高技术指标。
1.2软开关技术
1.2.1硬开关与软开关
在很多电路中,开关元件在高压很高或电流很大的条件下,在门极的控制下开通或关断,其典型的开关过程如图1-2-1所示。
开关过程中电压、电流均不为零,出现了重叠,因此导致了开关噪声的产生。
具有这样的开关程的开关被称为硬开关。
在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。
开关损耗随着开关频率的提高而增加,使电路效率下降,阻碍了开关频率的提高;开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题,影响周边电子设备的正常工作。
(a)硬开关的开通过程(b)硬开关的关断过程
图1-2-1硬开关的开关过程
通过在原来的开关电路中增加很小的电感L、电容C等谐振元件,构成辅助换流网络,在开关过程前后引入谐振过程,开关开通前电压先降为零,或关断前电流先降为零,就可以消除开关过程中电压、电流的重叠,降低它们的变化率,从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声,这样的电路称为软开关电路。
软开关电路中典型的开关过程如图1-2所示。
具有这样开关过程的开关称为软开关。
1.2.2零电压开关与零电流关断
使开关开通前其两端电压为零,则开关开通时就不会产生损耗和噪声,这种开通方式称为零电压开通;使开关关断前其电流为零,则开关关断时也不会产生损耗和噪声,这种关断方式称为零电流关断。
零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。
目前成熟的控制型软开关变换器并不多,典型的有移相全桥变换器、不对称半桥变换器、LLC串联谐振变换器等。
1.3论文研究的内容
本文在广泛查阅参考了国内文献资料的基础上,主要用单片机AT89C52对不对称半桥变换器控制技术进行了研究。
首先,介绍了整个系统的工作原理,分析单片机在整个开关电源中的作用,再详细的介绍了不对称半桥变流器软开关技术的工作原理及其优缺点,并介绍了具体的硬件参数。
在不对称半桥电路中的开关管采用的是MOSEFT,其驱动电路用的是TL494.能控制产生15V到20V的直流电压。
2.反激式开关电源的系统总述
2.1反激式开关电源的系统框图
PWM控制的反激式开关电源电路原理图如图2-1-1。
图2-1-1反激式半桥开关电源系统框图
主要包括EMI滤波电路、整流滤波电路、功率变换电路、驱动电路、输出电路、稳压电路、过流保护电路以及辅助电源电路等。
2.2反激式开关电源的工作原理
本数控反激式开关电源,采用单片机AT89C52实现对基于PWM控制的不对称半桥反激式功率变换器的数字控制。
其主要的控制器件为TL494,单片机给定要输出电压的大小于TL494,经TL494比较产生合适的PWM波对MOSFET进行控制,并将电压与电流的输出返回到TL494进行稳压与限流。
3.主电路硬件设计
3.1EMI、整流滤波电路
3.1.1EMI产生的原因
开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上,突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。
首先,开关电路产生的电磁干扰是开关电源的干扰源之一。
开关器件和高频变压器组成的开关回路是开关电源的核心。
它们产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。
这种脉冲干扰产生的主要原因是:
开关器件的负载为变压器初级线圈,是感性负载,在开关管导通瞬间,初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变,这种瞬变是一种传导型电磁干扰。
本文采用的不对称半桥反激式变流器能在一定程度上控制du/dt的大小。
其次,整流电路中,在输出整流二极管截止时有一个反向电流,它恢复到零点的时间与二极管结电容等因素有关。
其中能将反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管,这种二极管在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰,其频率可达几十兆赫。
最后,高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射干扰。
如果电容滤波容量不足或高频特性不好,电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。
3.1.2EMI滤波器具体设计
图3-1-2是开关电源EMI滤波器的电路。
其中L1、L2为共模扼流圈,由于它的两个线圈匝数相等,这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的,因而不起作用;而对于共模干扰信号,能够得到一个大的电感量呈现高阻抗,以获得最大的滤波效果,因此对共模干扰信号有良好的抑制作用。
但是,由于种种原因,如磁环的材料不可能做到绝对均匀,两个线圈的绕制也不可能完全对称等,使得电感量是不相等的,于是由L1与L2之差形成差模电感,它和L3、L4形成的独立差模抑制电感与差模C2电容器又组成L—N独立端口问的一个低通滤波器,用来抑制电源线上存在的差模干扰信号。
在选择滤波元件时,一定要保证输入滤波器谐振频率低于开关电源的工作频率。
由于随着电源工作频率的升高,滤波器对运行噪声将更容易抑制,所以设计中要注意滤波器在工作频率低时的抑制效果。
C2被用来衰减差模干扰,C4与C5用来衰减共模干扰,R1用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。
图3-1-2EMI滤波器的电路
在图3-1-2所示电路中各元件参数在下列范围内选择C2、C3为:
0.1~2uF,本文中取0.2uf;C4、C5为2200pF~0.033uF,取0.68pf;L1,L2为几毫亨至几十毫亨。
随工作电流的不同而选择不同参数。
L3,L4一般采用E形金属粉压磁芯,由于粉压磁芯适用频率范围较低,在几十千赫至几兆赫,其直流重叠特性好,在大电流应用时电感量也不会大幅度下降。
最适合作差模电感。
差模电容C2、C3接在交流进线两端,它上面除加有额定交流电压外,还会叠加交流进线之间存在的各种EMI峰值电压,所以该电容的耐压及耐瞬态峰值电压的性能要求较高。
要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号的峰值,正确选用适合安全等级的电容。
共模电容C4与C5接在交流电进线与机壳地之间,要求它们在电气和机械性能上,应有足够大的安全余量,万一它们发生击穿短路,将使设备机壳带上交流电,因此电容器的容量要进行限制,使其在额定频率的电压下漏电流小于安全规范值。
3.2不对称半桥反激变流器
3.2.1不对称半桥工作原理
不对称半桥变换器采取上下管互补导通方式,在死区时间里利用变压
器漏感能量对开关管的结电容充放电,实现开关管的软开通。
这个过程使
得两开关管无损耗交替开通。
图3-2不对称半桥变流器
图3-2为不对称半桥变换器的电路结构,其中Uin为直流输入电压,
S1、S2为原边开关管,其占空比分别为D和1-D,
为开关管的体
二极管,Cs1、Cs2为开关管的寄生电容。
隔直电容Cb作为下管S2开通时
的供电电源。
带中间抽头的功率变换器由理想变压器并联一个激磁电感
Lm,再串联一个漏感Lr,变压器的原边匝数为N1,副边绕组的匝数为N21
与N22。
输出侧采用全波整流,D1、D2为副边整流二极管,Lo、Co为输出
滤波器,R为负载。
在分析不对称半桥变流器开关管工作之前,先做如下假设:
(1)所有电感、电容和开关管都是理想的;
(2)滤波电感足够大,负载电流Io可视为恒流源;
(3)两个开关管S1和S2的寄生电容的电容值都为C;
(4)不计半导体元件的管压降和二极管的反向恢复电流;
图3-3不对称变流器工作波形
(1)工作模式t0-t1电容充放电阶段,t0时刻,开关管S1关断,电路
进入电容充放电阶段,变压器原边电流经过Cs1和Cs2,使得电容Cs1的电
压线性上升,电容Cs2的电压线性下降。
此时,负载电流流过二极管D1。
V=V=V,该阶段结束。
(2)工作模式t1-t2谐振阶段,t1时刻,电容Cs1、Cs2和漏感Lr形成串
联谐振。
由于负电压加在漏感Lr上,原边电流开始减小,副边为保持负载
电流不变,D1和D2同时导通,换流开始。
(3)工作模式t2-t3电感放电阶段,t2时刻,VH=0,开关管S2的反并联二极管DS2导通。
一个恒定的电压V加在漏感Lr上,原边电流线下降,整流二极管D1、D2继续导通。
t3时刻,原边电流下降到零。
(4)工作模式t3-t4电感放电阶段,t3时刻,变压器原边电流过零,并
反向增大,整流二极管D1、D2继续共同导通。
t4时刻,原边电流达到反向最大值,换流结束。
(5)工作模式t4-t5准恒流阶段,t4时刻,开关管S2完全导通,D1关断,D2导通,初级向次级传递能量。
t5时刻,S2关断,该阶段结束。
(6)工作模式t5-t6电容充放电阶段,t5时刻,开关管S2关断,电路进入电容充放电阶段,变压器原边电流流过Cs1和Cs2,使得电容Cs1的电压线性下降,电容Cs2的电压线性上升。
此时,负载电流流过二极管D2。
(7)工作模式t6-t7谐振阶段,t6时刻,电容Cs1、Cs2和漏感Lr形成串联谐振。
由于正向电压加在漏感Lr上,原边电流开始正向上升,副边保持负载电流不变,D1和D2同时导通,换流开始。
(8)工作模式t7-t8电感放电阶段,t7时刻,VH=Vin,S1的反并联DS1导通。
漏感Lr承受最大正向电压,原边电流继续正向上升。
t8刻,原边电流为零。
(9)工作模式t8-t9电感放电阶段,t8时刻后,漏感Lr继续承受正向电
压,原边电流继续正向上升。
t9时刻,原边电流达到正向最大值,换流结
束。
(10)工作模式t9-t10准恒流阶段,t9时刻,开关管S1完全导通,二极
管D2关断,D1导通,初级向次级传递能量。
t10时刻,开关管S1关断,该阶段结束。
3.2.2不对称半桥变压器参数设计
在设计变压器时,首先应该选择的是磁芯。
变压器功率为200W左右,工作为60kHz-70kHz,根据AP法确定变压器型号:
(1)由AP算法公式
,
其中
是窗口使用系数,为0.4;
是电流密度系数,为400;
工作磁通密度,为0.5T;
是开关工作频率,为70kHz;
是磁芯有效截面积;
是磁芯窗口面积;
在实际中的变压器增加10%的裕度,选取铁氧体磁芯PQ32/20型,材料为PC44,其参数
,
(2)原副边绕组匝数计算
由输入输出关系式
得
则
初级绕组的匝数由下式确定:
匝
计算副边绕组匝数
匝
3.2.3开关管和整流管的选取
功率MOSFET的选择可以根据流过它的电流和关断时承受的最大电压来选择。
主功率管承受最大电压应力为
,选择时要留有一定的安全裕量。
系统稳定工作时,MOS管关断两端承受200V电压,流过管子的电流峰值为
。
故选用英飞凌的IPP60R199CP作为主开关管,其耐压为
电流为
。
整流管的选择也根据流过它的电流和关断时承受的最大电压来选取。
整流管的阻断电压:
同理可得
留有一定的裕量,故选取InternationalRectifier公司的IRFB3077P
其耐压为
,电流为
。
3.2.4隔直电容设计
假设电容上电压一个周期内峰-峰值为20V,则通过公式
可得
为
因此选择
的CBB电容。
3.3不对称半桥控制电路设计
PWM控制器的在开关电源中起非常重要的作用。
开关电源的PWM控制技术主要有电压型控制和电流型控制,本文采用的是TL494的电压型PWM控制。
PWM开关稳压电源的电压型控制模式,只对输出电压采样,作为反馈信号来实现闭环控制,电路中的电感电流未参与控制,这是一种单环控制。
采样电
压信号
与参考电压
比较放大后,得到误差信号
再和锯齿波信号相比较后得到占空比变化的矩形波驱动信号,进而控制功率管的导通和关断,实现闭环控制来稳定输出电压,这就是电压模式PWM控制技术的工作原理。
具有代表性的电压模式PWM控制器主要有SG3525,SG3525A和TL494等。
电压型控制的优点是:
(1)单环反馈的设计和分析比较容易;
(2)锯齿波振幅较大,对稳定的调制过程可提供较好的噪声余裕;(3)低阻抗功率输出,对多输出电源具有较好的交互调节特性。
3.4辅助电源设计
由于本电路中KA3525芯片和单片机分别需要12V和5V的直流电压,
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