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数控开关电源的设计与实现
数控开关电源的设计与实现
摘要：
本文采用AT89S51单片机作为数控开关电源的主控部件，通过巧妙的软件设计与简易可靠的硬件电路相配合，实现输出电压可步进调整、输出电压信号可直接显示的功能。
整个设计包括电源变换部分、数字控制部分、数码显示部分三大电路模块组成。
主芯片采用开关稳压集成电路芯片LM2575，数字电位器X9511依据指令，用数字控制来改变反馈，并将输出电压在数码管上显示。
关键词：
单片机；开关电源；数控
TheSwitchElectricalSourceofHigh-precisionNumericalControl
Abstract:
Inthisdigitalswitchingpowersupply,AT89S51MCUisthemaincomponents.Throughcleverdesignandsimpleandreliablesoftware,hardwarecircuitline,steppingtoachieveoutputvoltageadjust,outputvoltagesignalfunctionscanbedirectlydisplayed.
Transformthewholedesignincludingthepowerofthedigitalcontrolofthepartofthethreedigitaldisplaycircuitmodule.ThemainchipswitchingregulatorICLM2575,DigitalPotentiometersX9511basedoninstructionstochangetheuseofdigitalfeedbackcontrolandoutputvoltageontheLEDdisplay.
KeyWords：
Singlechipmicrocomputer;switchingpowersupply;numericalcontrol
1引言
1.1数控开关电源概述
随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。
电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性与可靠性。
而开关电源是目前应用最为广泛的一种新式电源装置，由于其小型化、轻量化、高效率、可大量节约能源等显著优点而深受人们的青睬，并被广泛应用于电子计算机、电视机、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备等领域中。
近年来，随着电子信息产业的迅速发展，人们对开关电源的需求也与日俱增。
开关电源的开发与制造已成为了方兴未艾、发展前景十分诱人的朝阳产业。
而怎样使开关电源在低成本情况下实现高精度的数控化调控成了人们研究的热点。
开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。
再者开关电源与线性电源相比又有以下优点:
1）开关电源的体积和重量明显地小于同功率的线性电源。
因为它用高频变压器代替了线性电源中笨重的工频变压器，能降低大量金属消耗。
2）开关电源的效率高于线性电源。
因为它的功率管工作在开关状态，其效率一般高于60%，且随着输出功率的增大而提高，普遍可达80%以上。
对于开关电源而言，只要在脉冲宽度调节范围内，开关电源功率管上的功耗不随电网电压和输出电压变动，固有损耗比较低，所以它可应用于长期工作的各种设备中以降低能耗。
而线性电源中由于调整管工作在线性状态且流过负载电流，所以功耗很大。
当输出电压较低时，其效率小于50%。
3）开关电源的适应性强。
因工作方式的特殊性，开关电源能够适应更宽的工作电压范围。
以电视机中的开关电源为例，目前生产的电视机能够做到同时适应国内220V和国外110V的电源。
在经济日益全球化的今天，这一特性是传统线性电源无法比拟的。
4）开关电源更安全。
线性电源的输入电压和输出电压的差值较大，一旦调整管击穿，全部输入电压将加到输出端，有可能危及负载。
而并联式开关电源中，当功率管损坏时，主回路停止工作，输出端就没有电压输出，不会出现过压现象。
另外由于开关电源的效率比较高，开关管上的功耗比较小，发热较低，所以对散热安装设计的要求降低，以及涉及220V电压等情况进行的多重安全设计，都进一步提高了系统的安全性。
当今开关电源发展的三大趋势为：
1）非隔离DC/DC技术迅速发展
2）初级PWM控制IC不断优化
3）同步整流技术实现高效率
4）开关的频率更高
1.2数控开关电源目前发展状况
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。
日前，随着单片开关电源集成电路的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。
单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍重视。
现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。
最近两年来，国外—些著名的一些芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。
随着单片机技术的发展和控制理论研究的深入，开关电源的数字化控制也从比较简单的MCU加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。
实时性和多任务的要求使双CPU结构得到了更加广泛的应用。
目前开关电源的发展，主要朝着更高的功能密度和变换效率及更好的动态特性，更好的环保性能，智能化与高可靠性，更广泛的应用等方面发展。
1.3开关电源的分类
随着电力电子器件和开关变频技术几乎同步开发的前提下，两者相互促进与推动，开关电源每年以超过两位数字的增长率，向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源科分为AC/DC，AC/AC，DC/AC，DC/DC四大类。
DC/DC变换器现已实现模块化、成熟化和标准化。
但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
以下分别对四类开关电源的结构和特性作以阐述。
[2]
1、DC/DC变换器
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有：
脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。
前者较为通用，后者容易产生干扰。
其具体电路有Buck电路（降压斩波器，其输出平均小于输入电压，极性相同）、Boost电路（升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同）、Buck—Boost电路（降压或升压斩波器，电感传输方式。
其输出平均电压大于或小于输出电压，极性相反）和Cuk电路（降压或升压斩波器，电容传输方式。
其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反）四种。
2、AC/DC变换器
AC/DC变换器是将交流电压变换成直流电压，其功率流向可以是双向的功率六由电源流向负载的称为“整流”，功率六有负载返向电源的称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准，（如UL、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式右分为，半波电路、全波电路。
按电源相数可分为，单相。
按电路工袋子和象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
3、DC/AC变换器
它是将直流电转换成交流电的开关变换器，有的称其为变流器，是交流输出开关电源和不间断电源（UPS）的主要部件。
在某些特殊场合，例如卫星、飞机、舰船、潜艇等没有工频交流电源（50或60Hz），仅有蓄电池或太阳能电池可供使用，它们都属于直流电源，当需要由这些电源向交流负载供电时，便需要DC／AC变换。
此外，工频交流电对某些负载来说并不适用，例如飞机上使用400Hz交流电，感应加热需要使用中频或高频交流电，感应电动机变频凋速需要在一定范围内可以任意变频、变压的交流电等。
在有工频交流电源的情况下，先将工频交流电变成直流电，再经过逆变器变成所需频率和电压的交流电，这些应用都需要DC／AC变换技术。
随着电力半导体器件的发展，逆变技术在应用范围得到进一步拓宽，它几乎渗透到国民经济的各个领域。
尤其是高压、大电流、高频三者功能兼备的场控器件的开发成功，为简化逆变电路、提高逆变器的性能及高频脉宽调制（PWM）技术的广泛应用奠定了基础。
4、AC/AC变换器
它是将一种频率的交流电直接转换成另一种恒频或可变频率的交流电．或是将变频交流电直接转换成恒频交流电的变换装置。
在需要不同于市电频率或频率可变的交流电源场合,通常采用AC／AC变换器，它可以用两种方案实现：
（1）AC／DC／AC变换，该方案必须通过AC／DC和DC／AC两次电能变换，故效率较低。
（2）AC／AC变换：
该方案无需中间直流环节，就可以直接将工频交流电能转换成频率可变的交流电能。
故称为直接变频。
由于电源电压是交变的，故这种变换大多采用电网换流方式，少数也采用强迫换流方式，随着自关断器件的发展，AC／AC变换技术已得到重视。
AC／AC变换技术主要应用范围如下：
1）大功率（几千千瓦以上）的交流传动：
2）舰船或飞机用的恒频电源。
3）静止无功补偿。
1.4开关电源的控制方式
无工频变压器开关电源的控制方式，大致有以下三种：
脉宽调制方式，脉冲频率调制方式，混合调制方式。
1.4.1脉宽调制技术
脉宽调制PWM技术（相对于软开关技术，PWM也称为硬开关）由于其电路简单、控制方便而得到了广泛应用。
1976年美国硅通用公司第一个做出了单片集成控制芯片SG1524，称为脉宽调制器。
从此，PWM技术的应用和发展开始进入了相对成熟的阶段。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）波形图如图1-1所示，是将脉冲周期固定，通过调节脉冲宽度来调节输出电压。
图1-1PWM控制方式波形图
稳压原理是：
当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲周期不变，而脉冲宽度变小，使占空比减小，输出电压降低。
目前，应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是50～120KHz（使用MOSFET做开关管），在这个范围内，整个系统无论体积、重量、可靠性和价格都基本实现了最佳。
但是，常规PWM技术的固有缺陷限制了其进一步的高频化，表现在：
1．在开关器件导通和关断的过程中，电压和电流的波形有重叠，产生开关损耗，并且该损耗随着开关频率的提高而增大；
2．电路的寄生电感和寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流。
由于这些局限性，迫使人们另想办法，围绕着减小开关损耗，消除或缓解电路中寄生参数的影响而提出了谐振变换技术。
1.4.2脉冲频率调制技术
脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，PFM）波形图如图2-6所示，是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。
图1-2PFM控制方式波形图
在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。
稳压原理是：
当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。
调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便。
1.4.3混合调制技术
混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。
由于Tp和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。
目前这种调制方式应用得不是很多，厂品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。
再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电路也不是很多。
但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低。
2数控开关电源的设计方案及论证
2.1.系统设计要求
（1）输出电压调节范围：
0.00V-9.99V；
（2）输出（实测）电压值和预置电压值之间的误差<0.1V；
（3）输出电流：
大于500mA；
（4）具有人机接口功能，输出电压值由数码管显示，由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减，步进为0.1V；
（5）电源应具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能；
（6）经济性、可靠性与操作的方便性。
要求成本相对低、芯片使用数量相对少、可靠性相对高、操作方便。
工艺较好。
2.2.系统基本设计方案选择与比较
（1）控制器模块
方案一：
采用常用的AT89C51控制。
技术比较熟练，应用广泛，现在的51系列技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能。
但是为了实现多组预存信息,必须外加具有掉电存储功能的EEPROM,这增加了系统的复杂程度。
而且在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制。
方案二：
应用ARM，ARM是一种功耗很低的高性能处理器，技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。
方便、安全、高效。
作为嵌入式领域中最为广泛使用的32位处理器结构体系，ARM已经成为多个应用领域的标准CPU。
ARM处理器技术正在成为多数嵌入式高端应用开发的首选。
ARM2138芯片具有高达32KB的内存作为数据的缓冲区，因此能够实现非常快的读取速度。
并具有丰富的I/O资源，而且其外围电路简单,在片内即可实现所有控制，简化了整个系统的复杂程度。
本系统控制器用AT89C51就可以完全控制整个系统了，所以选择方案一。
（2）电源转换模块
方案一：
LM2575应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是集成稳压电路应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是,应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是它内部集成了一个固定的振荡器,应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路,可大大减小散热片的体积,而在大多数情况下不需散热片;内部有完善的保护电路,包括电流限制及热关断电路等;应用PWM技术的变换器运行的最佳频率范围是芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。
方案二：
MC34063是一单片双极型线性集成电路,专用于直流-直流变换器控制部分.片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流.它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器.
本模块用LM2575就可以完全控制整个系统了，所以选择方案一。
（3）A/D转换模块
方案一：
TLC549是TI公司的8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。
由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
TLC549芯片电路如图2-3为芯片原理图，图2-4为芯片引脚排列图
图2-3TLC549原理图图2-4TLC549的引脚排列
方案二：
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
TLC549方案优势比较明显。
（4）键盘/显示模块
键盘与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路人机交互功能的好坏。
a）按键模块
在该系统中需要对输入信号值进行设置，以实现对其的控制，此处对以下两种方案进行比较。
方案一：
采用HD7279，实现对按键的扫描、消除抖动、闪烁等功能。
同时该芯片还可连接多达64键的键盘矩阵，软件编程简单。
用HD7279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。
方案二：
采用单片机读取外部按钮，然后控制数字电位器X9511中的滑动端位置PU和PD，滑动端的位置可以存储在EEPROM存储器中，在下次上电使用时将被重新调用。
这种方案既能很好的控制键盘及显示又为单片机大大的减少了程序的复杂性。
方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计实际需求和电路整体的性能，选用方案二。
b）显示模块
系统需要对最后的输出电压（电流）和之前的预置电压（电流）进行显示，使输出信号数值可以很直观进行对比，此处考虑以下两种方案。
方案一：
使用传统的数码管显示。
数码管具有以下优点：
低功耗，寿命长，耐老化，防潮，防晒，防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，精确可靠，操作简单。
数码管（LED）对环境因素要求较低，显示明亮，采用BCD编码显示数字，程序编译相对容易，资源占用少。
方案二：
采用液晶显示屏显示温度和湿度。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低功耗、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，可显示的信息量大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。
但编程工作量较大，控制其占用资源较多。
基于上述分析，考虑到此设计系统没必要用液晶显示屏来显示我们所需要显示信号数值，用数码管就可以很方便得让信号数值显示出来，而且明显直观。
所以本系统模块选择方案一。
2.3.系统设计方案的结论
经过仔细地分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
1）控制模块：
采用AT89C51控制系统；
2）电源转换模块：
采用传统三端式稳压集成电路LM2575
3）A/D转换模块：
采用TLC549逐次逼近型A/D转换器；
4）键盘模块：
采用按键式数字电位器X9511来实现；
5）显示模块：
采用普通的数码管来显示；
2.4.系统设计框图
整个设计包括电源变换部分、数字控制部分、数码显示部分三大电路模块组成。
主芯片采用开关稳压集成电路芯片LM2575，用数字控制来改变反馈，并将输出电压在数码管上显示。
系统总体设计框图如图2-1所示。
图2-1数控电源总体系统框图
3系统的硬件设计与实现
3.1.系统硬件的基本组成部分
系统控制部分：
本部分是以AT89C51为核心的最小系统模块，单片机振荡器采
用12MHz晶振。
电源变换部分：
采用开关稳压集成电路芯片LM2575芯片输出信号为基础，通过
指令用控制数字电位器来改变反馈。
数字显示部分：
本部分包括以按键式数字电位器X9511为核心的键盘和用LED
来显示预置和输出信号数值模块。
3.2.系统各模块单元的理论分析与实际电路设计
3.2.1单片机控制电路
该部分以AT89S51为核心的最小系统模块，单片机采用12MHz晶振和两个30P瓷片电容。
如图3-1所示。
图3-1单片机控制电路
3.2.2电源变换模块的电路设计原理图
如图3-2所示。
图3-2电源变换模块的电路设计原理
图3-22中，X9511的工作电压为VCC即5V，外部递增、递减按钮由单片机软件控制，同时LM2575中基准电压为1.23V，则输出电压Vout的公式为3-1。
（3-1）
其中Vref=1.23V
LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路,它内部集成了一个固定的振荡器,只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路,可大大减小散热片的体积,而在大多数情况下不需散热片;内部有完善的保护电路,包括电流限制及热关断电路等;芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。
图3-3LM2575管脚图图3-4LM2575内部框图
X9511是Xicor公司生产的按钮控制电位器,可用作按钮控制的微调电阻器,它是一个包含有31个电阻单元的电阻阵列。
在每个单元之间和两个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。
滑动单元的位置由PU、PD输入端控制。
滑动端的位置可以被贮存在一个E2PROM中,因而在下一次上电工作时可以被重新调用。
X9511W（10kΩ）的每一个抽头间的阻值为323Ω，它有以下特点：
●按钮控制;
●低功耗CMOS,工作电流最大为8mA,等待电流最大为200mA;
●31个电阻单元;
●-5V～+5V电压范围;
●32个滑动抽头点,滑动端的位置取决于二个按钮输入;
●滑动端位置数据可保存100年。
●最大阻值有两种X9511Z的最大阻值为1kΩ,X9511W的最大阻值为10kΩ;
●有8引脚SOIC和DIP两种封装形式。
工作原理：
X9511有三部分：
输入控制、计数器和译码部分。
E2PROM存贮器部分及电阻阵列部分,输入控制部分的工作就象一个升/降计数器,这个计数器的输出被译码后去控制接通一个单极点的电子开关,以便把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。
X9511内部的计数器为一个5位二进制计数器,共有32个位置。
当/PU或/PD接逻辑低电平超过40ms时,X9511就认为这是一个有效的控制信号,而不是一个干扰。
滑动端位置增加或减小的次数取决于按钮被按下的时间的长短,当按钮被一次连续按下时间超过一秒钟以后,增加或减小的速度加快。
因为第一秒钟器件处于慢扫描方式,如果按钮被保持超过1秒钟,器件将进行快扫描方式。
当按钮一松开,X9511即返回到等待状态。
当滑动端位于任一固定端点时,就象等效的机械滑动端那样,不会移到超出终端位置。
也就是当计数器达到一个极端时,不会循环回复。
图3-5X9511管脚图图3-6X9511功能方框图
3.2.3数字显示模块的电路设计原理图
如图3-7所示。
图3-7数字显示模块的电路设计原理图
3.2.4A/D转换电路
图3-8A/D转换模块的电路设计原理图
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/OCLOCK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，Vref+接地，Vref+－Vref-≥1V，可用于较小信号的采样。
图3-24中，TLC549的工作电压为VCC即5V，外部参考电压由精密基准电源TL431提供，参考电压Vref+为2.5V,Vref-为0V，Vin模拟输入信号来自通过电源变换的直流电压。
A/D转换结果（数字量D）与模拟输入电压Vx的关系为3-2式，
（3-2）
式中，2.5V为参考电压Vref+。
图3-9TLC549管脚图图3-10TLC549时序图
4系统的软件设计
4.1主系统程序流程图
主系统主要负责对从键盘收集信号，即设置系统信息，控制从系
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