摘要：論文基于單片機與電子電力技術，采用Boost直流斬波電路作為DC-DC變換器的主要部分。以STC12C2052AD處理器作為整個系統(tǒng)的主控器并且增加了對主電路電流、電壓的采樣反饋，實現(xiàn)過流保護和閉環(huán)PWM控制。該文對系統(tǒng)的硬件、選型、軟件控制的實現(xiàn)均有較為詳細的闡述，圍繞單片機和開關電源技術進行的小功率通用開關穩(wěn)壓電源的設計。

關鍵詞：STC12C2052AD；DC-DC；PWM

中圖分類號：TN-9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）04-0922-03

A Design of Switch Voltage Regulator Based on PWM

WANG Lei， LI Jian-min， LI Ping

（Information Science and Technology College， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： The thesis based on MCU and power technology，uses Boost DC chopper circuit as the DC-DC converter major part of the main circuit. The subject uses the STC12C2052AD as the main controller of the all-whole system， and it increases the sampling and feedback of the current and voltage of the main circuit to achieve over-current protection and closed-loop PWM control. In this paper， the hardware of system， selection， the realization of software control are described in detail. Design of low-power general-purpose switching power supply focus on MCU and power technology.

Key words： STC12C2052AD； DC-DC； PWM

隨著電子技術的發(fā)展，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源。電源是各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標能否達到以及能否安全可靠的工作。

現(xiàn)有的電源主要由線性穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)壓電源兩大類組成。相對線性穩(wěn)壓電源來說，開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)點更能滿足現(xiàn)代電子設備的要求，開關電源的主要優(yōu)點是：效率高，可靠性和穩(wěn)定性好，體積小，重量輕，對供電電網電壓的波動不敏感，在電網電壓波動較大的情況下，任能維持較穩(wěn)定的輸出[1]。開關電源一般采用PWM信號控制電源開關占空比，目前有很多的如TL494等專門的PWM控制芯片[5]和比較成熟的反饋電路設計但為了進一步降低電源輸出波紋，實現(xiàn)輸出可變并控制產品成本和體積。本設計中采用小封裝STC12C2052AD單片機完成PWM信號的產生、系統(tǒng)控制，A/D采樣等。實現(xiàn)了設計的數(shù)字化、小型化可應用于開關穩(wěn)壓電源的設計。

1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要由電源整流部分、控制器、信號驅動模塊和升壓模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)輸入為220V，50Hz交流電壓，經電壓變換，整流濾波后得到18V的直流電壓，送入DC-DC變換電路，經濾波輸出直流?？刂破魍瓿呻妷旱腁D變換并實現(xiàn)電壓值的外部設置和實時顯示，同時控制模塊輸出脈寬調制信號（PWM），從而控制Boost電路的輸出電壓[2，6-7]。該輸出電壓可在30～36V范圍內步進調節(jié)。最大輸出電流達2A。設計中DC-DC變換的核心電路采用經典的Boost升壓形式。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MOS管驅動電路

由于單片機I/O口的驅動能力弱不足以驅動MOSFET，所以要增加專用的MOSFET電路。設計中采用采用美國IR公司推出的高壓浮動驅動集成模塊IR2110，從而減小了裝置的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性[3-4]。IR2110是一款高低電平驅動器件具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達600V，在15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3Vcc，即功率器件的柵極驅動電壓）電壓范圍10～20V；其邏輯輸入電壓只需3.3～20V，可方便地與TTL或CMOS電平相匹配，輸出電壓最大可達20V，圖騰柱輸出驅動電流最大可達到2A；工作頻率高，可達100kHz；開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns；由于IR2110可同時驅動雙MOS管，因而系統(tǒng)只涉及一個MOS管，故只使用一路驅動即可。

2.2 STC12C2052AD控制器

系統(tǒng)中控制器不斷檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設定值之差，調整DA的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源的工作。這種方式單片機已加入到電源的反饋環(huán)中，代替原來的比較放大環(huán)節(jié)。開關電源的控制芯片采用STC12C2052AD系列單片機，利用其內部PWM組件產生控制信號，經過放大后驅動boost升壓電路。STC系列單片機為單時鐘/機器周期（1T）的兼容8051內核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機[8]。具有兩路PWM/PCA和8路8位精度的ADC，在本設計中充分利用這兩個功能來構成整個控制系統(tǒng)。

2.3 緩沖電路設計

當變換器的開關管在導通、截止后開關管的電壓和電流的乘積幾乎為零，但在導通和截止的變化過程中電壓和電流都具有一定的幅值。因此變換器就會在開關過程中產生開關損耗。通常，變換器的開關損耗中，關斷損耗比開通損耗大得多，因此大多數(shù)場合下只考慮關斷過程的緩沖即可。最簡單的緩沖電路就是附加緩沖電容，但在開關管導通時緩沖電容通過開關管放電，放電電流值非常大，開關關不能承受[9-10]。限制放電電流可串聯(lián)限流電阻但緩沖效果明顯變差，此時可將二級管并聯(lián)到電阻兩端以減小時間常數(shù)，這就是常用的RC-D緩沖電路，如圖2所示。

圖2 場管緩沖電路

為了有效的將開關管的開關應力轉移，緩沖電路作用的時間應大于開關管的電壓上升時間與電流下降時間之和，通?？梢赃x擇為開關周期的1/100～1/200電容理論值大約為6.7nF。多次試驗顯示，保護吸收電路的電阻應取kΩ級，電容取nF級即可。

2.4 采樣電路設計

為了實現(xiàn)電壓的反饋控制和過流保護，系統(tǒng)需要增加采樣電路，采樣電路共分成兩部分：電壓采樣和電流采樣。因為單片機ADC的參考電壓為5V不能直接對輸出電壓進行變換，因此需要對輸出電壓分壓后再采樣。采用對輸出的1/10分壓，分壓電路用簡單的電阻分壓器即可。課題要求系統(tǒng)具有過流保護的功能，這就要對電流進行采樣，將電流變成電壓后也進行ADC變換。采樣電阻的選擇十分重要，要求噪聲小，溫度特性好，所以最好選擇低溫度系數(shù)的高精度采樣電阻。例如，錳銅線制成的電阻，溫度系數(shù)約5ppm/℃ 。另外，由于采樣電阻與負載串聯(lián)時流過采樣電阻的電流通常比較大，因而溫度也會隨之上升。另外采樣電阻阻值取大一點，對穩(wěn)定度有好處，但會使系統(tǒng)效率下降，折中考慮取R=0.5[Ω]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機控制算法

為了通過反饋調節(jié)控制信號實現(xiàn)穩(wěn)壓，系統(tǒng)軟件設計中加入了PID控制算法，即單片機中將給定電壓值與采樣反饋電壓值比較，利用偏差的比例、積分、微分線性組合調整PWM信號的占空比，進而達到穩(wěn)壓。常用的PID算法形式為：

[Uk=Kpek+Kiikei+Kdek-ek-1]

式中：[Kp]、[Ki]、[Kd]分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；e（k）為偏差；u（k）為所需控制信號的調整值。為了簡化程序該系統(tǒng)設計選擇P算法（PID算法的一種簡單形式），即令[Ki]、[Kd]為零，只考慮比例系數(shù)。因此，系統(tǒng)穩(wěn)壓控制的優(yōu)劣取決于參數(shù)[Kd]。[Kp]越大，系統(tǒng)反應越靈敏，但[Kp]偏大會導致輸出振蕩大，調節(jié)時間延長。因STC單片機速度較快所以課題中[Kp]選擇不必太大，可實現(xiàn)預期穩(wěn)壓功能即可。

3.2 控制程序設計流程

根據(jù)課題要實現(xiàn)的功能及要求，單片機軟件的控制部分程序的流程圖3所示。

圖3 控制流程圖

4 調試結果

測試當中輸入電壓為18V，開關管的控制脈沖（PWM波）頻率為104kHz，占空比50%，組裝時電容取1600μF，電感為820mH，電阻為30Ω。得到的電流電壓波形圖如4所示?？煽闯?，在不考慮損耗時電壓可以升35V以上；在實際電路中因存在損耗，通過調整占空比達到了輸出電壓30～36V步進調整，最大輸出電流2A。

圖4 輸出電壓變化趨勢

改變電源的負載，對不同負載下的輸出電壓進行測試，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 負載調整率測試數(shù)據(jù)（U2=18V）

[輸出電流＼&空載＼&1KΩ＼&100Ω＼&30Ω＼&輸出電壓＼&36.0V＼&35.78V＼&35.5V＼&35.38V＼&]

負載調整率[SI]=（36.01-35.38）/36.01≈1.7%

對不同輸入電壓下的電流、電壓進行測試并計算出變換器的效率，測試結果如表2所示。

表2 變換器效率測試（不含單片機等控制電路）

[輸入

電壓[Ui]＼&輸入

電流[Ii]＼&輸出

電壓 Vo＼&輸出

電流[I0]＼&效率＼&21.9V＼&1.957＼&36.01V＼&1.056＼&88.7%＼&21.1V＼&2.898＼&35.86V＼&1.505＼&88.3%＼&]

5 結論

傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調整穩(wěn)壓電源雖具有穩(wěn)定性好、輸出波紋小等優(yōu)點，但體積大且笨重的工頻變壓器和濾波器和只有45%左右的電源效率等缺點不能滿足電源高效率、小型化、集成化、智能化的趨勢。而開關電源的效率可高達70%-95%，功耗小散熱器隨之減小。本設計增加了電源的數(shù)控功能利用Boost電路實現(xiàn)了系統(tǒng)設計的升壓轉換，采用單片機完成數(shù)字控制，軟件編程得到PWM信號，通過調整占空比實現(xiàn)輸出電壓數(shù)字調節(jié)，運用反饋算法實現(xiàn)可控的穩(wěn)壓輸出。實驗表明各項指標滿足設計要求，適用于低成本、智能化的電源開發(fā)中，有廣闊的應用前景。

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