[关键词]单片机直流稳压源智能化电源闭环控制
[中图分类号]TM[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0034-02
直流稳压电源作为电气设备及其控制系统的主要电源系统,在实际生活中被广泛的应用于电力电子教学、电气设备开发研究等工程领域。传统直流稳压电源由于受技术条件的影响,普遍存在功能简单、调节误差大、干扰大、接线复杂、体积大等问题。传统直流稳压电源对输出电压通常采用粗调的方式来完成,调节精度不高,当需要输出电压在一个很小范围内进行调节时,传统的直流稳压电源就难以办到,严重影响了稳压电源的使用范围。基于单片机的智能高精度直流稳压电源,结合了最先进的单片机控制技术采用高性能基准稳压电力电子元件,稳压调压精度高而且抗干扰能力强,克服了传统直流稳压源的缺点。同时整个控制系统具有完善的保护电路,大大提高了设备的使用寿命。随着电力电子技术的成熟,单片机价格越来越经济,且集成度相当高,大大减少了直流电源系统开发成本,具有明显的工程实际应用价值。
1系统硬件设计
1.1系统总体结构
单片机控制的直流稳压电源以AT89S52单片机作为整机的核心控制单元,经过调节AD7543的输入电压数字量来控制系统的输出电压,本系统具有可预置电压和步进调节电压的特性,而且整个电压调节步进值达到0.1V的小范围。此系统具有自我检测功能、短路保护等故障处理技术。整个系统的工作原理框图如图1所示。
从图1可以看出,整个系统包含变压整流单元、键盘预设电压单元、滤波电路单元、电流检测短路保护单元、电压反馈单元等多个部分组成。为了使系统能够具备自动采样检测实际输出电压值的大小,可以通过电压取样及电压调节回路,实时对电压进行采样,并经过相应的比较放大电路直接控制单片机内部系统程序进行相应的电压调节,保障输出直流电压的稳定,然后经过八段式数码显示管进行数据处理及显示相应的系统输出电压值。单片机在得到电压取样数据后,通过数字信号处理中心,获得相应的控制策略,可以通过两个驱动电路,对不同的输出电压值采取不同的控制策略。当电流检测回路发现系统中电流过大时,就直接将信息反馈给驱动电路和单片机系统,控制电路调整进行自动短路保护。利用单片机为核心处理控制器的稳压电源系统整体设计方案比较灵活,合理利用软件编程控制方法来解决电压值的预置以及输出电压的步进控制,比传统滑档控制更加精确可靠。由于单片机是一种电子产品的集成系统,可以大大地减少直流电压源系统内部的硬件回路,且采用较为先进的电子器件,系统的相应时间和误差都在有效的控制范围,大大扩大了稳压电压源的使用范围,在稳压源系统中得到了广泛的推广。
1.2数控部分
单片机AT89S52作为整个稳压系统的控制核心主要完成电压输出值的采样判断、键盘电压预设控制、控制驱动电路进行电压调节、输出电压值数字显示、系统短路自动检测保护及其他辅助功能。
为了实现系统的人机对话功能,本系统采用10个数字电压预设按键和两个步进(“+”,“-”)按键,为了避免有些其他未考虑功能按键的使用,最终选用具有16按键的输入键盘实现整个系统的人机交互控制电路。输出电压值显示部分采用8位8段式LED数码管,数显LED管现在已经很成熟,易于同其他设备进行数据交换,可以直接与单片机输出相连。但是本系统单片机作为系统控制核心,数显单元只是单片机控制的一个点,且单片机I/O端口总数目有限,必须采用扩展电路来控制数显部分,因此为了优化系统,采用一片8155作为单片机系统的外部扩展接口电路,实现16个键盘的通信接口与LED数显的通信接口。键盘及数显接口单片机扩展电路如图2所示。
1.3电压取样及电压调节
为了提高输出电压的精度,保证电源稳定运行,利用电压取样单元对电源输出电压进行检测,得到一个电压信号的反馈电压。为了提高单片机控制系统的整体精度和灵敏度,将采样数据经过比较放大电路,利用一级运算放大器将采样电压进行放大,再送给单片机系统进行相应的数据处理。
1.4电源方案
采用78系列三端稳压器件作为控制核心单片机及系统各功能芯片的动力源,通过输入电源的全波整流,获得可靠的稳压供电电源。
1.5过流报警功能
为了提高单片机控制系统的安全可靠性,提高单片机数控直流电压源的人性化服务。利用电流检测回路检测系统中的电流值,当电流大于系统设定值时,通过单片机系统自动保护跳闸,实现保护贵重电气设备的功能,并可以通过相应的蜂鸣器报警,提醒工作人员对相应的设备进行检查看修。
2软件设计
在实际硬件电路搭配完成后,为了有效地减小纹波电压,保证供电可靠性,本系统采用软件编程方法实现去峰值数值滤波,以减小外界环境干扰对输出电压的影响,数据取样分析判断是整个滤波系统的中心部分,取样的准确性与否直接影响系统的整体控制。为了保证取样的可靠性,在整个系统的软件设计中设置了电压采样主程序和键盘输入中断子程序,相应的流程图见图3和图4所示:
程序运行后,单片机系统就自动开始检测是否有键按下,若有键盘触发脉冲,则进入电压预设按键功能程序。LED数码管显示部分就开始自动动态定时扫描数据,达到系统CPU资源得到充分利用。单片机系统不断通过取样电路采集系统输出电压数据,经过比较放大和相关分析判断,然后通过单片机系统发出增减命令对实际输出电压进行相应的校正,控制输出电压源保持电压恒定。
3数据分析
把系统相关的硬件和软件设定完成后,对装置进行相应的检测,其检测结果数据如表1所示:
从表1中可以看出,基于单片机的直流稳压电源系统可以有效的保障输出电压的稳定,系统整体误差在10-2量纲级内,误差相当小,完全满足稳压电源的要求。
4结语
以AT89S52单片机为核心设计的一种智能稳压电压源系统,有效保证电气设备的安全稳定运行。系统输出电压采用数显和键盘输入控制,提高了电源的人性化服务。基于AT89S52单片机的一种稳压电压源系统系统集成度高、可靠性强、具有自我故障检测保护功能,具有良好的实用价值。
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关键词LM5117；降压型开关稳压电源；闭环控制
中图分类号：TN492文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）06-0036-03
AbstractThissystemdesignchoosesLM5117chipandCSD18532-KCSMOSFETofTICompanyascontrolcorevoltagestabilizingsystem，andbuildsastableandefficientbucktypeDCswitchingpowersupply.Itusestheclosed-loopfeedbackcontrolvoltage，im-provingthestabilityofoutputvoltage.Designreducestheoutputripplevoltage，selectingtheappropriateswitchingfrequencycom-pensationandloopnetworktoenhancethestabilityandloadcapa-city，makeoutputvoltagemorestable.
KeywordsLM5117；BuckDC；feedbackcontrol
1引言
开关电源凭借其相对于线性电源的体积小、效率高、可靠性强的优点，在越来越多的场合得到应用。传统的PWM开关电源电路结构复杂，开关频率低，电源功耗高，纹波系数大。随着对开关电源性能要求的不断提高，传统的PWM开关电源逐渐不能满足性能要求，随着半导体技术的迅猛发展。模块化的开关电源控制芯片的优越性能得到越来越广泛的应用，工作频率高，纹波系数小，带负载能力强，便于调试。TI公司生产的军工级新型同步降压控制器LM5117就是优秀代表。
2LM5117介绍
LM5117是一款同步降压控制器，适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5117的工作频率可以在50～750kHz范围内设定。可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管（《LM5117技术手册》）。
3方案描述
为满足题目要求，本系统能够处理两种输入信号：16V直流输入电压、外部负载R。通过人工方式在两种输入信号之间进行功能的切换，然后通过LM5117为核心的稳压电路，分别实现16V输入、5V恒压输出，负载R可变输入、1～10V电压输出这两种功能。同时利用采样电阻采集电流信号交给比较器控制，进行过流保护，提高系统可靠性。整体设计框图如图1所示。
4方案设计
降低纹波本系统采用加强输入输出的LC滤波网络，输入输出信号在送到对应端口之前均采用多个电容并联，大大降低纹波电压；输出端的LC滤波网络选用较小电感（10μH），降低电路功耗，有助于提高电源效率；输出端采取C1和R21阻容吸收网络，消除尖峰[1]。
负载R检测本系统使用LM358构成的恒流源电路[2]，将负载R的阻值转化成电压差分信号送入INA118仪表放大器进行放大，经恒流源转化后差分信号Ud与负载阻值R之间满足题目要求计算公式：Ud=R/1k（V）。
Ud被放大后通过运放，成为VOUT输出。
负载R检测如图2所示。其中，U1A构成恒流源，RL为待测负载R（仿真电路中条件RL=5k），U2的INA118P为仪表放大器[3]，处理恒流源转化的电压差分信号R3/R5和R6/R4分别构成的分压电路和比例电路。
稳压控制本系统采用以LM5117芯片为核心的稳压电路，内部高增益误差放大器产生一个与FB引脚电压和内部高精度0.8V基准之差成正比的误差信号。选取合适的RCOMP、CCOMP和CHF构成π型环路补偿元件，连接至COMP引脚的误差放大器。选取合适的反馈调节网络，使输出电压稳定到需求值[4]。
过流保护LM5117芯片的UVLO端口是欠压锁定编程引脚。当UVLO引脚低于0.4V时，稳压器处于关断模式，所有功能被禁用。如果UVLO引脚电压高于0.4V并低于1.25V，稳压器随VCC稳压器运行而处于待机模式，此时SS引脚接地，且HO和LO输出端不会切换。决定利用这一特性，使工作电流超过额定电流时强制拉低UVLO口的电压至0.4V～1.25V之间，将LM5117芯片置于待机状B。
采集输出电流，将取样电压与达到额定电流时的电压进行比较，将比较结果使用CD4013进行锁存，并反接肖特基二极管SS14，使过流时的UVLO端口钳位到0.7V，达到过流保护的效果[5]。过流保护如图3所示。主电路整体原理图如图4所示。
5测试方案与测试结果
首先，将本系统与外部直流电源相连接，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16V，保持恒定。调节负载大小，当IO=0.2IOMAX，记录UO，即为轻载输出电压；当IO=IOMAX，记录UO，即为满载输出电压，计算负载调整率SI。
其次，调节直流电源输出电压，当系统输入UIN=13.6V和UIN=17.6V时，分别记录UO13.6V、UO17.6V，计算电源电压调整率SV。
再次，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN在13.6～17.6V范围内变化，在其中选取5组不同输入电压值进行测量。记录不同输入电压UIN分别对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。
最后，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16V，保持恒定。改变外接待测电阻R大小，测量并记录不同阻值下对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。
测试结果如表1～表4所示。
经测试，本系统能够完成题目所有的设计性能要求。并且在负载调整率及转换效率方面均优于设计要求。
6结论
通过一系列功能测试，本系统以LM5117为核心设计稳压电路，实现16～5V的DC-DC电压变换，同时能够检测外接负载R大小并根据一定的公式调节输出电压。经测试，系统能够实现所有要求，并提高电源效率达到91%以上，负载调整率降至0.4%，同时将纹波电压峰峰值控制在20mV
以内，是一款性能优良的降压型直流开关稳压电源。
参考文献
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图LT_01(a)直流稳压电路图LT_01(a)直流稳压电路图LT_01(a)直流稳压电路(b)VA、VO的波形(c)图b的局部放大图LT_01(b)VA、VO的波形(c)图b的局部放大图LT_01(b)VA、VO的波形(c)图b的局部放大图LT_01
（3）当负载电流从0.1A变到1A（将RL从150W变到11W，作直流扫描分析，）时，输出电压如图d所示。可以看出Vo变化约为0.094mV，则输出电阻约为0.1×10-3W。图LT_01(d)输出电压随负载电流变化的曲线（3）当负载电流从0.1A变到1A（将RL从150W变到11W，作直流扫描分析，）时，输出电压如图d所示。可以看出Vo变化约为0.094mV，则输出电阻约为0.1×10-3W。图LT_01(d)输出电压随负载电流变化的曲线（3）当负载电流从0.1A变到1A（将RL从150W变到11W，作直流扫描分析，）时，输出电压如图d所示。可以看出Vo变化约为0.094mV，则输出电阻约为0.1×10-3W。图LT_01(d)输出电压随负载电流变化的曲线
