摘要: 使用TL494芯片产生的PWM信号来控制开关管的通断,单片机AT89S52通过控制D/A转换输出信号后经运放放大后给TL494提供基准电压来控制输出电压,输出电压可调范围5～30 V。使用12864液晶显示出输入电压和实际的电压值,稳压与限流部分均用TL494控制,最大输出功率75 W。适用于对输出电流和输出功率要求大的电子设备。
关键词: AT89S52;开关电源;PWM
1系统总体设计方案
由单片机输出经数模转换后得到0～4.095 V的电压控制信号,此电压信号经LM358集成运放放大为0～25V,并输入到LM7805公共端(即把LM7805的2脚接成悬浮)。在LM7805的输出端3脚得到Ui = 5~30 V的电压信号,此电压信号作为开关电源PWM电路的基准信号。改变单片机输出信号,使Ui在5 ~ 30 V之间变化。PWM电路是由TL494组及一些外围器件组成,它由2脚输入基准信号,其最终电压输出将随基准电压同步变化,从而达到输出电压由单片机控制的目的。此外电路中还用采样电路将输出电压值通过模数转换返回到单片机,电压预设值和实际输出值都会通过液晶12864显示出来,系统框图如图1所示。
2系统各模块电路设计
2.1 开关电源
电路可以直接从电网整流供电,其自身功耗小、体积小、重量轻,适用于大功率且负载固定的场合。开关控制方式采用PWM,基准电压电路输出稳定的电压,取样电压与基准电压之差经放大器放大后,作为电压比较器的阈值电压,三角波发生电路的输出电压与之相比得到控制信号,控制开关管的工作状态。此电路中开关管工作在非线性区,当PWM控制信号为高电平时,开关管饱和导通,续流二极管D因承受反压而截止,整流滤波后的电压直接通过蓄能电感作用在后级电路,此时电感L存储能量,电容C充电。当开关管截止时,蓄能电感放电起续流作用,与此同时C放电,负载电流方向不变。当电压降低到设定值时通过与基准比较后把差值放大与494内部锯齿波比较,当锯齿波幅比差值信号大时开关管开通,如此循环。开关电源通过改变PWM占空比来使输出电压稳定。电路原理图如图2所示。
2.1.1 PWM控制电路
本电路由核心芯片TL494作控制的单端PWM降压型开关稳压电路。TL494 是一种固定频率脉宽调制电路,它包含了开关电源控制所需的全部功能。内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,其振荡频率如下:
f=■
TL494输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通,即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大,输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入,一路送至死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。通过调整死区比较器输入端的电压(0～3.3 V)可改变脉冲的输出占空比。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段:当反馈电压从0.5 V 变化到3.5 V时,输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3 V到(Vcc-2.0)的共模输入范围,这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平,它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算,正是这种电路结构,放大器只需最小的输出即可支配控制回路。将Q1和Q2并联使用,需将输出模式控制脚接地以关闭双稳态触发器,使输出的脉冲频率等于振荡器的频率。
2.1.2 开关电源主电路
如图3所示,U1为LM317三端可调稳压器,它的输出电压为固定值36 V,为芯片TL494提供工作电压,同时也为产生基准信号的运算放大器LM358和LM7805提供工作电压30 V(U4为LM317,其输入电压为U1输出电压36 V)。
(1)整流滤波电路
采用可承受大电流和耐高压冲击的BR104的桥堆进行桥式整流,整流后经电容滤波输出,电容采用63V/10000μF的电解电容器。整流滤波后电压输出为1.2×40 V = 48 V。
(2)调整管的选择及参数计算
如图4所示。这里选用三极管2SC3320和场效应管IRFP9240组成复合管来做为开关管。Io= 3A,则要求Ice > 3 A,设推动管Q1的β=3,则IB=■≈1.0 A,而TL494内部驱动管最大电流为500 mA(并联后),因此考虑用一个大功率高频开关场效应管与其复合。Q2的VGS(th)= -10 V,IDS = -12 A,R4为Q2的偏置电阻,R6为限流电阻。令R6 = 150Ω,则算得R4 = 47Ω。所以,此时对于R4上的功率:
P1=■≈2.8 W
R6上的功率: P2≈■≈10.0 W
最大占空比η为94,所以R4采用p"1>ηP1= 2.5 W,R6采用p"2>ηP2= 9.4 W的电阻。在恒定频率的PWM通断中,控制开关管通断状态的控制信号由TL494的11脚和8脚输出。
(3) 储能电感和回路二极管
储能电感用可承受大电流的铁氧体高频环型电感;回路二极管要用大功率肖特基高频二极管。注意:Q1、Q2开关管和回路二极管都应加装散热片。纹波抑制方面:在稳压电源输出端并上大电容(10000μF),经过实测,在大功率输出时纹波得到了有效的抑制。在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所产生的尖峰电压。
2.2 同相比例放大及LM7805组成的基准电压信号电路
图5所示LM358为集成运放,由它组成同相比例运算电路,放大关系式如下:
U0=1+■U■
图中R14等于1KΩ,R13为电位器,在这里将其调到5.1 kΩ。由LTC1456数模转换输出电压为0～4.095 V,经同相比例运算电路放大6.1倍。LM358输出信号为0 ~ 25 V,再加上三端稳压器LM7805的5 V电压,使基准信号Ui = 5~30 V可调。把此基准信号Ui接入TL494的2号管脚,实现对UO的控制。
2.3 单片机控制模块
如图6所示,主控制电路采用AT89S52单片机。一方面由键盘输入预设电压值,MCU根据程序设定输出相应的信号经数/模转换后输出一定的电压信号,再经一定的放大处理后控制开关电源PWM电路模块的工作。另一方面根据模/数转换芯片接收到的采样开关电源的电压值,来显示实际输出电压值。此外由一个4*4的键盘作为人机交换通道,它设置了0~9十个数字键,可以直接输入想预设的任意电压值(每次键入三个键值,输入电压值精确到十分位)。
2.3.1 单片机控制数/模和模/数转换电路
(1)LTC1456是低功耗的12位串行口数/模转换芯片,Vcc在4.5 V ~ 5.5 V之间能正常工作。输入的数字量为0x0000到0x0FFF;输出电压为0~ 4.095 V,LSB =4.095 V/4095 =1 mV,MSB = 4095 mV。通过对LTC1456的控制,使模拟量的输出发生变化,经过运算放大器放大后控制最终的电源输出。当片选信号选通时,随着时钟信号的上升沿,数据被按照从高到低的顺序送到LTC1456的Din中进行转换。而通过Dout可以把输入到LTC1456中的数据以此显示出来。
(2)ADS7816是低功耗的12位串行口模/数转换芯片,在参考电压Vref稳定时,LSB = Vref/4096,MSB = Vref,根据这个关系,可以将输出的电压转换成数据量与控制端进行相比较,从而达到实时监控的目的。转换芯片在前2个时钟周期对反馈信号进行采样,然后随后的12个时钟周期将转换数据依次按照从高到低的顺序从Dout送到单片机对应的端口。
2.3.2 程序流程图及主程序
程序流程图如图7所示。
3系统参数测试
LM358是一个可单/双电源供电的集成运放,在使用时一定要注意集成运放输出饱和电压值约为电源电压的90%左右。在实际制作过程中因为忽略了此问题,造成了一定的错误。因条件有限,本系统中选用LM358制作放大电路,最好是采用电源电压可超过30V的双电源集成运放,这样可以消除偏置电流带来的误差。
电压可调范围5 ~ 30 V,电流可调范围0 ~ 2.5 A。
(1)电压调整率测试:将交流调压变压器输出端接稳压电源输入端,将稳压电源输出电压调至30 V,调节交流调压变压器,使其输出从165 V变化至265 V,用数字万用表测量稳压电源输出端电压(I0 = 2.5A),测得最大电压变化量为0.2 V,计算得电压调整率为0.67%。
(2)负载调整率的测试:空载时将输出电压调至30 V,在负载端接入300Ω/200 W的变阻器,将变阻器从12Ω调至100Ω,用数字万用表监视输出电压的变化,测得最大电压变化量0.4 V,因此负载调整率为1.33%。
(3)纹波电压测试:将电压输出调至30 V,外接12Ω大功率变阻器,将示波器置于AC/0.1 V输入档,测得负载上纹波电压为400 mV。
(4)DC\DC转换效率测试:将电压输出调至30 V,外接12Ω/200 W变阻器,测得DC\DC输入电压为41.1 V,输入电流为2.25 A,输出电压为29.6 V输出电流是2.47 A,所以DC\DC转换效率 =(2.47×29.6)/(2.25×41.1)×100% = 79.06%。
(5)过流保护功能测试(限流):将电压调至30 V,限流电位器旋到最大值(顺时针方向),再将输出端短路,测得电流3.5 A,然后逆时针旋转,电流从最大变到零。说明限流功能正常。
(6)附加说明:本作品最大输出功率75 W。此外如果想扩大输出电流,依照本作品所用的开关管,理论上可达10 A。若反馈电阻还是用0.1Ω(注意电阻的功率也要加大,电阻消耗功率= xR),此时在反馈电阻上的压降为Ui=10×0.1 = 1 V。又Ui=5.0×(R8/(R7+R8)),设定R7=5 kΩ,代入可解得R8 = 1.25 kΩ这样就可以实现电流从0 ~ 10 A可调,若最大值想改成其他值,可按照上面的方法做。但前提是变压器的输入功率要足够大,建议变压器的最大输入功率是DC\DC最大输出功率的1.3倍以上。此电路的最大输出功率是75 W,那么变压器的最大输入功率为75 W×1.3 = 97.5 W。
4结语
由于采用了矩阵键盘,可以直接输入想要预设的电压值,它优于步进输入方式(本程序设计预设电压值精确到十分位)。在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所产生的尖峰电压,起到保护电路的作用。电路结构简单且所采用电子元件均是常用元件,使电路实现更具有可行性。电压可调范围5 ~ 30 V,最大输出功率75 W。主要适用于对输出电流和输出功率要求大,但对电压调整率和负载调整率不是很高的电子设备。进一步改进还可以提高精度和输出功率,增加电流显示等。
参考文献
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作者简介
鄢峰,陕西理工学院物理系,研究方向:电子信息科学与技术;
张迁,陕西理工学院物理系,研究方向:电子信息科学与技术;
罗国颖,陕西理工学院物理系,研究方向:电子信息科学与技术;
卢超,陕西理工学院物理系讲师,从事电子技术,测控方面的研究。