基于单片机的开关检测电路设计

姓名：樊建威姓名：樊建威 学号：学号：0801500213 基于单片机的开关检测电路设计基于单片机的开关检测电路设计 本文对基于单片机控制的开关电源的可选设计方案进行对比分析, 指出最优设计方案, 并举出实例一种基于单片机 89C51 与典型 PWM 控制芯片 TL494 相结合而实现输 出电压可调的开关稳压电源电路, 对设计基于单片机控制的开关电源有很好的参考价值。 1.引言引言 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 间比率来稳定输出电压的一种新型稳压电源。各种电子、电器设备领域, 计算机、程控交 换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等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; 进行故障自诊断, 对电源功率部分实现自动监测; 对电源进行过压、过流保护; 进行实 时控制等。 2.基于单片机控制的开关电源的可选设计方案基于单片机控制的开关电源的可选设计方案 由单片机控制的开关电源, 从对电源输出的控制来说, 可以有三种控制方式, 因此, 可 供选择的设计方案有三种: ( 1) 单片机输出一个电压( 经 D/AC 芯片或 PWM 方式) , 用作开关电源的基准电压。 这种方案仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压, 可以用按键设定电源的输出电 压值, 单片机并没有加入电源的反馈环, 电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。 ( 2) 单片机和开关电源专用 PWM 芯片相结合。此方案利用单片机扩展 A/D 转换器, 不断检测电源的输出电压, 根据电源输出电压与设定值之差, 调整 D/A 转换器的输出, 控 制 PWM 芯片, 间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中, 代替原来 的比较放大环节, 单片机的程序要采用比较复杂的 PID 算法。 ( 3) 单片机直接控制型。即单片机扩展 A/DC, 不断检测电源的输出电压, 根据电源输 出电压与设定值之差, 输出 PWM 波, 直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作 最多。 3.最优设计方案分析最优设计方案分析 3.1 三种方案比较三种方案比较 第一种方案: 单片机输出一个电压( 经 D/AC 芯片或 PWM 方式) , 用作开关电源的基 准电压。这种方案中, 仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压, 没有什么实际性的 意义。 第二种方案: 由单片机调整 D/AC 的输出, 控制 PWM 芯片, 间接控制电源的工作。这 种方案中单片机可以只是完成一些弹性的模拟给定, 后面则由开关电源专用 PWM 芯片完 成一些工作。在这种方案中,对单片机的要求不是很高, 51 系列单片机已可胜任; 从成本上 考虑,51 系列单片机和许多 PWM 控制芯片的价格低廉; 另外, 此方案充分解决了由单片机 直接控制型的开关电源普遍存在的问题由于单片机输出的的 PWM 脉冲频率低, 导 致精度低, 不能满足要求的问题。因此, 单片机和 PWM 芯片相结合, 是一种完全可行的方 案。 第三种方案: 是最彻底的单片机控制开关电源, 但对单片机的要求也高。要求单片机运 算速度足够快, 且能输出足够高频率的 PWM 波。DSP 类单片机速度够快, 但价格也很高, 占电源总成本的比例太大, 不宜采用。廉价单片机中, AVR 系列最快, 具有 PWM 输出, 但 AVR 单片机的工作频率仍不够高, 只能是勉强使用。 3.2 比较分析后的结论。比较分析后的结论。 通过以上比较分析, 我认为: 第二种方式, 即单片机和开关电源专用 PWM 控制芯片相 结合是目前基于单片机控制的开关电源的最优设计方案。 4.基于基于 89c51 单片机控制的开关电源单片机控制的开关电源 根据上述最优设计方案的结论, 下面举出一个基于此最优方案下的实例, 本实例根据典型 PWM 芯片 TL494 的应用特点, 设计了一种基于单片机 89c51 辅助控制的正向变换器方式 开关电源。 4.1 工作原理工作原理 (1) 电源软起动的实现正向变换器方式的开关电源在输入电压接通时, 会产生极强的充 电电流, 因此需要通过软起动使输出电压平缓地上升。TL494 具有软起动功能, 只要在 4 脚与 14 脚间接上电容器, 即可使得 ton 慢慢扩宽, 从而实现软起动。 (2) 输出电压的可调整与稳压控制开关电源是借助晶体管的开/关(ON/OFF) 来实现能 量交换的, 其输出控制, 由晶体管的导通时间决定, 流行的方法是采用 PWM 控制, 具体的 方法是控制晶体管导通的占空比。即: 控制脉冲信号的频率已定( 周期已定) , 调整占空比 就是调整脉冲有效电平的宽度。比如: 要提高输出电压, 只需调宽控制脉冲有效电平的宽度 即可。同理, 其稳压原理也是基于此。 TL494 的 4 脚是死区时间校正端子, 此脚上给定一电压值, 可得到一固定脉宽信号输 出。其原理是: TL494 内部振荡器的三角波电压在 0.2V1.3V 之间, 三角波电压高于引脚 4 的电压的时间就是控制信号的 ton。因此, 通过调整设定引脚 4 的电压便可调整 PWM 输出 的 ton 时间, 从而使得输出电压可调。根据 TL494 的资料手册, 4 脚死区控制电压的典型值 为: 2.8V 时, 对应 Tton=0; 0V 时, 对应最大的 ton, 在在这段电压范围内, 对应的电压值对 应了固定的脉宽输出, 以高频变换也就得到了相应的电压输出, 由此输出可调的目的也就达 到了, 这种功能具体由单片机来实现。 输出电压可调, 随即需要解决的是稳压, 整机要求稳压精度稍为高一点, 若要采用单片 机来稳压的话, 由于单片机运行一条最简单的指令也需要 1 个周期, 当采用 12M 晶振时, 一个周期为 1us, 显然不符合闭环稳压的要求, 在这时可采用 TL494 内置的误差放大器来 实现闭环稳压, 实现的原理就是运用电压误差放大器实现的电压负反馈电路。单片机来给 定每一级需要稳压基准点, 以此来实现输出一级电压,稳定一级电压。 4.2 硬、软件实现硬、软件实现 (一) 硬件实现本电路主要有控制电路、跟踪稳压电路和保护电路组成。原理框图如下 所示: (1) 输出电压可调控制电路电路的实现是由单片机通过锁存器(74LS377)和 D/A 转换器 (DAC0800) 实现, 当单片机给 74LS377 送入数据并由 74LS377 将数据锁存, 经 DAC0800 转换后输出的直流电压给 TL494 的 4 脚, 给定不同的基准稳压电平, 即可实现不同的电压 输出。 (2) 稳压基准源电路应输出电压可调的要求, 那么当输出某一电压值时必须要求稳压, 根据闭环负反馈的电路原理可知( 如下图) , Vref 为稳压基准电平, Vref 与 U维持平衡电 压值只相差十几个毫伏, 当输出电压 Uout 升高时, U的电压值必定升高, 则误差放大器的 输出电压会下降, 使得 TL494 内部的 PWM 波输出脉宽变窄。经一系列高频变换滤波得到 的输出电压 Uout 会降低, 从而达到稳压目的。当输出电压为人为调整( 升高或降低) 时, 则须对 Vref 进行相应的调整( 升高或降低) 才能达到输出稳压的目的。 (3) 保护功能的实现 1.过压、欠压保护 过压、欠压保护电路 如上图左图所示: 过压保护的检测电路是利用 TL431 来实现的,TL431 的内部含有一个 2.5V 的基准电压, 当输入电压 B 增大, 则由两个电阻组成的采样电路所分压得到的电压大 于 2.5V 时, TL431 导通,其阴极 K 输出低电平, 给单片机一个中断信号, 切断 TL494 的输 出,并通过显示电路显示当前的过压保护状态。如上图右图所示: 检测电路也是利用 TL431 来实现的, 当输入电压 B 减小时, 由两个电阻组成的采样电路所分压得到的电压小于 2.5V 时, TL431 截止, 其阴极 K 输出高电平, 经过一个反相器, 反相器输出一个低电平, 由单片 机检测出来后, 切断 TL494 的输出, 并通过显示电路显示当前的欠压保护状态。 2.过流保护电路 如下图所示: 过流保护电路的实现是通过 CA3140 和一个 PNP 型三极管来实现的, 当电流 采样信号表现为过流时, 运放 CA3140 的 6 脚输出为一高电平, 使三极管关断, 74LS32 的 9 脚输出为高电平, 关断 TL494 的 PWM 波的输出。同时, 也给单片机一个中断信号, 使 显示 电路显示过流保护状态。 （二） 软件实现本电路的软件结构包括初始化, 预设定及故障检测程序等构成的, 以单片机 AT89C51 为软件控制核心。程序结构框图如下图所示。 （三）以控制LCD的显示、键盘的处理以及通信等的开关电路为例，设计电路如下图 本检测设备扩展了八个外部设备, CPU 通过译码器扩展片选信号。译码器 74LS138 的 三个输入引脚分别接 AT89S52 的 P1. 5、P1. 6、P1. 7 ,输出引脚 Y0 Y7 作为各个外部设 备的片选信号, Y0 Y7 的具体分配如表 1 所示。 本系统对 LCD 自带的 64 kB 显示缓存做如下分配: 0000H0FFFH 为图形显示区 1,其中 0000H0EFFH 用于工作界面的图形显示缓冲, 0F00H 0FFFH 用于缓存需要显示的原始数据。 1000H1FFFH 为图形显示区 2,其中 1000H1EFFH 用于显示参数修改界面, 1F00H1FFFH 用于缓存需要显示的原始数据。 2000H2FFFH 为图形显示区 3,用于缓存以前保存的所有参数的原始数据,以提高系统运 行速度。 参考文献参考文献 1 高伟. AT89 单片机原理及应用