基于C8051F040單片機的開關(guān)電源設(shè)計
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李向恒，張文華，周文虎
（河南思維自動化設(shè)備股份有限公司，河南鄭州450001）
摘要：采用C8051F040和AD7520構(gòu)成開關(guān)電源的數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以Boost變換器作為開關(guān)電源的主電路，以TL494作為開關(guān)電源的控制芯片，研制了具有自恢復(fù)過流保護功能的高效、程控開關(guān)電源，并用實驗結(jié)果說明了設(shè)計方案的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：Boost變換器；開關(guān)電源；單片機
中圖分類號：TM919 文章編號：1006 - 2394( 2016) 04 - 0037 - 04
0引言
開關(guān)型穩(wěn)壓電源是20世紀60年代發(fā)展起來的一種穩(wěn)壓電源，它和線性穩(wěn)壓電源比最大優(yōu)點在于其工作效率高、功耗小、電源體積小、質(zhì)量輕，而且具有高效節(jié)能、輸出電壓范圍寬、輸出紋波低、保護功能齊全等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的各個領(lǐng)域。
1 方案論證與選擇
對系統(tǒng)設(shè)計進行深入的分析，可將整個系統(tǒng)分為以下幾個模塊，如圖1所示。
1.1 DC-DC變換器方案選擇
方案一：隔離式變換器
隔離變換器種類較多，主要由正激型、反激型、全橋型和半橋型等。若采用隔離式需要隔離變壓器，不僅電路復(fù)雜，而且消耗功率。
方案二：非隔離式變換器
常用非隔離式變換器主要有三種：Buck、Boost和Buck-Boost。Buck型屬于降壓型變換器，不符合系統(tǒng)設(shè)計要求。Boost型變換器為升壓型，控制較簡單，成本較低，所以在本設(shè)計中采用Boost型變換器作為開關(guān)電源的主電路。
1.2控制方案選擇
方案一：電流控制模式
電流控制模式與電壓型PWM比較，電流型PWM開關(guān)電源具有更好的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，但在恒頻峰值電流控制中占空比大于50%時系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定。改善其性能需要在電流波型上加斜坡補償，使得電路復(fù)雜，此設(shè)計中還有采樣電阻，需消耗功率，使得效率下降。
方案二：電壓控制模式
電壓型控制技術(shù)，即輸出電壓反饋后用于控制功率開關(guān)脈寬的大小，也可調(diào)整電流。電壓型控制模式中，只對輸出電壓采樣并作為反饋信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，以穩(wěn)定輸出電壓。電源電路中的輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流是獨立變量，不影響電路效率，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
基于以上兩種方案的分析比較，方案二控制簡單且可以實現(xiàn)高效率，滿足設(shè)計要求。
1.3提高效率方案選擇
方案一：無源無損吸收
采用無源無損吸收電路，并且使用了阻值適當?shù)牟蓸与娮瑁墓β实�，電路設(shè)計簡單且效率高。
方案二：肖特基二極管代替快恢復(fù)二極管
肖特基二極管是一種低正向?qū)▔航档目旎謴?fù)二極管，且反向恢復(fù)時間極短，正向?qū)▔航祪H0.4 V左右。
本設(shè)計選用方案一以提高效率。
1.4鍵盤輸入方案選擇
方案一：行列式4 x4鍵盤
采用行列式矩陣鍵盤，將8根線分為行線和列線，直接和單片機輸入輸出口相連。高四位用于控制列線，低四位用于控制行線。在軟件中的邏輯運算控制使同一個并口的不同管腳工作在不同的輸入輸出方式下，來實現(xiàn)鍵盤的識別。4 x4鍵盤可以識別出16個不同的狀態(tài)，就是可以識別16個數(shù)字。
方案二：使用成品的鍵盤
使用成品的鍵盤制作簡單，直接可以使用，但是成本高，驅(qū)動程序不易理解。
本設(shè)計中選用方案-4 x4鍵盤作為輸入部分。
1.5液晶顯示方案選擇
方案一：采用1 602字符型液晶顯示模塊顯示溫度
字符型液晶顯示模塊( LCM)是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊，這種點陣字符模塊本身具有字符發(fā)生器，顯示容量大，功能豐富。一般該種模塊可以顯示16位2行字符。這種模塊的點陣排列是由5 x7的一組組像素點陣排列組成的，每組有一位，每一位之間有一點的間隔，每一行之間也有一行的間隔，正因如此，不能顯示圖形。液晶顯示屏具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，同時具有可視面積大、畫面效果好、分辨率高，抗干擾能力強等特點。價格比圖形液晶顯示器低。
方案二：采用12864圖形液晶顯示模塊顯示溫度
這種模塊也是點陣模塊的一種。帶中文字庫的12864是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點漢字和128個16 x8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面，可以顯示8x4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。
本設(shè)計選用方案二128×64顯示器。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1 總體設(shè)計思路
本系統(tǒng)由Boost DC-DC變換器產(chǎn)生輸出電壓Uo和輸出電流Io，分別經(jīng)過電壓、電流采樣電路，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路送入單片機在液晶上顯示。采樣電壓經(jīng)過手動／數(shù)控開關(guān)選擇，若為數(shù)控方式則由鍵盤輸入電壓值并在液晶顯示，若為手動方式則通過調(diào)節(jié)電阻設(shè)定電壓。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖參見圖1。
2.2硬件設(shè)計
2.2.1 主回路器件的選擇及參數(shù)計算
影響主回路的主要因素之一是開關(guān)頻率的選擇。過高開關(guān)頻率一方面能夠減小為滿足輸出紋波電壓要求所需的電感和電容取值，也有利于本質(zhì)安全，但是提高開關(guān)頻率另一方面卻降低了變換器的效率，導致最大電感電流增大而不利于本質(zhì)安全；此外提高開關(guān)頻率還可能導致電容器的實際有效容量顯著下降而影響濾波效果，并且過高的開關(guān)頻率不僅不易實現(xiàn)而且電路穩(wěn)定性也會受影響。而過低開關(guān)頻率一方面電感上的繞銅增加使得電源體積、質(zhì)量增大及成本增加，另一方面過多的銅線消耗大功率，使得變換器的效率減小。所以必須選擇適當?shù)拈_關(guān)頻率，既滿足電路設(shè)計體積小、成本低和變換器效率高，又具有過流保護功能。綜
上所述，則選擇開關(guān)頻率為40~ 60 kHz。
2.2.2控制電路設(shè)計及參數(shù)計算
主要參數(shù)如下：輸出電壓U o的范圍為30~ 36 V，輸出紋波電壓允許峰-峰值為UPP<1 V，輸入電壓U i的范圍為15~ 21 V，負載電阻RL的范圍為18 Ω~∞，選取變換器的開關(guān)頻率為f=50 kHz，然后按照相應(yīng)設(shè)計方法進行設(shè)計。
2.2.3效率的分析及計算
DC-DC變換器效率叼=Po/P．，其中Po=U o，Io，Pi=U i Ii。電路中采用的器件IRF540N、MBR20010和TL494等都將消耗電壓。采樣電阻阻值0.01Ω ，此阻值在輸出最大電流時的電壓不足0. 02 V，使得變換器的效率比較高。
2.2.4保護電路設(shè)計及參數(shù)計算
通過過流保護開關(guān)可以選擇保護類型：可恢復(fù)型和不可恢復(fù)型。采樣電壓經(jīng)過比較器與基準電壓U ref比較，若采樣電壓大于基準電壓，再經(jīng)過運放后則產(chǎn)生跳變，調(diào)整開關(guān)管的狀態(tài)實施過流保護。
2.2.5數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計
數(shù)字設(shè)定采用4 x4行列式的可編程方式，如圖2所示。鍵盤行線接C8051F040的P2.0~P2.3，列線通過與門芯片CD4082與C8051FO40的P2.4~P2.7連接。
采用128×64圖形液晶模塊顯示，主要顯示數(shù)據(jù)有鍵盤設(shè)定的電壓值、真實的電壓值和電流值。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。本系統(tǒng)采用并行傳輸方式，數(shù)據(jù)線和控制線分別接C8051F040的P6和P7口。
2.3軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言，對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。程序是在Window XP環(huán)境下采用Keilu Vision 3軟件進行編寫的。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，能對輸出電壓進行鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整，步進值1 V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。程序總體流程圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析
3.1測試方法與數(shù)據(jù)
本設(shè)計采用KEITHLEY型數(shù)字示波器和MATRIX型模擬示波器對電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、紋波電壓峰．峰值、動作電流和DC-DC變換器的效率進行測試。
3.1.1電壓調(diào)整率S u的測試
當輸出電流Io =2 A時，輸出電壓U o與輸入電壓U i對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
電壓調(diào)整率計算公式如下：
3.1.2負載調(diào)整率S i的測試
當輸入電壓U i=18 V時，輸出電壓U o與輸出電流Io對應(yīng)關(guān)系如表2所示。
負載調(diào)整率計算公式如下：
3.1.4 DC-DC變換器的效率的測試
當輸入電壓U i= 20.2 V，輸入電流I i=4. 03 A時，對應(yīng)輸出電壓、輸出電流和DC-DC轉(zhuǎn)換效率見表3。
DC-DC變換器的效率計算公式如下：
3.2測試結(jié)果與分析
經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析本系統(tǒng)設(shè)計滿足的技術(shù)要求見表4和表和表5。
4結(jié)束語
本文提供了基于單片機C8051F040來調(diào)節(jié)輸出開關(guān)電源的設(shè)計方法，通過4x4鍵盤來調(diào)節(jié)電壓輸出，通過LCM液晶顯示器來顯示輸出電壓和輸出電流。通過系統(tǒng)測試和結(jié)果分析來證實關(guān)鍵的技術(shù)要求，其中DC-DC轉(zhuǎn)換效率高達88. 4%，紋波電壓峰一峰小于1V。本系統(tǒng)為高效率開關(guān)電源的設(shè)計提供了一種思路。
