單片機(jī)加PWM芯片的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法
隨著各種電器和儀表設(shè)備的日漸豐富，對(duì)電源應(yīng)用的靈活性提出了更高的要求。設(shè)計(jì)一款使用靈活、方便且價(jià)格相對(duì)便宜的通用電源，正越來(lái)越成為市場(chǎng)所需。現(xiàn)代單片機(jī)正朝著處理速度越來(lái)越快，外設(shè)資源越來(lái)越豐富，價(jià)格越來(lái)越便宜的方向發(fā)展，將單片機(jī)融入電源的設(shè)計(jì)中可以極大地提升電源的性能和靈活性。本文介紹了一種單片機(jī)加PWM芯片的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，既可以保留PWM芯片帶來(lái)的穩(wěn)定工作性能，又可以利用單片機(jī)的控制能力提供各種人機(jī)交互和通信接口。筆者設(shè)計(jì)的電源作為通用電源使用，可以提供靈活可編程的電壓電流輸出，另外還可以設(shè)置成鉛酸電池充電器的模式，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)功能
通過(guò)對(duì)電源的編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)圖1所示的電壓輸出波形。其中，V1、V2、T1、T2、dv、dt都是可以通過(guò)編程來(lái)設(shè)定的。電壓值的輸出范圍為0～16V，最大輸出電流為10 A。輸出電壓精度為0.1 V，電流精度為10mA。電流的設(shè)定值指的是允許輸出的最大電流，也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。
圖1 編程輸出電壓波形
另外，電源也可以工作在鉛酸電池充電器的模式(簡(jiǎn)稱“LBC模式”)。根據(jù)鉛酸電池的特性，當(dāng)電源工作在LBC模式時(shí)，電源首先將輸出較大的充電電壓和電流V1/I1，至少維持10s;當(dāng)充電電流降到小于設(shè)定值I2時(shí)，電源輸出較小的充電電壓和電流V2/I2。如果到了設(shè)定時(shí)間T1，充電電流還未降到I2以下，這時(shí)電源輸出也會(huì)降為V2/I2。當(dāng)輸出電流再次大于I2時(shí)，電源將再次輸出V1/I1充電。其中，V2設(shè)定值必須小于14V。若設(shè)置為大于14 V，電源會(huì)自動(dòng)將其設(shè)成14 V。I2的值必須大于1/8I1，否則將被自動(dòng)設(shè)成1/8I1。LBC模式如圖2所示。
圖2 LBC模式
用戶可以通過(guò)3種方式對(duì)電源進(jìn)行輸出設(shè)定：
① 通過(guò)電源面板上按鍵編程。通過(guò)按鍵對(duì)輸出電壓、電流限流值、時(shí)間等量進(jìn)行設(shè)定。
② 通過(guò)PC機(jī)串口編程。通過(guò)將PC機(jī)的串口RS232與電源串口相連，再運(yùn)行PC機(jī)上一串口通信的軟件對(duì)電源進(jìn)行編程。
③ 電源間相互編程。通過(guò)將兩臺(tái)電源的串口相連，操作其中一臺(tái)電源面板上的按鍵來(lái)對(duì)另一臺(tái)進(jìn)行編程。操作的一臺(tái)電源叫做“主電源”，被編程的電源叫做“從電源”。在這種編程方式中，只能將從電源的參數(shù)設(shè)置為與主電源完全一致，而不能對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。一臺(tái)電源只能提供100W的功率。這種方式可以應(yīng)用在需要較大功率的場(chǎng)合，可將兩臺(tái)或多臺(tái)具有相同設(shè)置的電源輸出并聯(lián)來(lái)方便地實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展。
2 工作原理
用單片機(jī)來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源，總的來(lái)說(shuō)可以分為兩種：
第一種是單片機(jī)通過(guò)輸出PWM或DA給電源電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)本身不介入電源的反饋中(本設(shè)計(jì)所采用的就是這種方式);第二種為通過(guò)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)直接控制開(kāi)關(guān)管工作，取代PWM芯片，但這種方式對(duì)單片機(jī)的要求較高，需要具有相當(dāng)高的時(shí)鐘頻率才能滿足對(duì)輸出PWM頻率和分辨率的要求。
系統(tǒng)按模塊來(lái)分可以分成兩大模塊：
電源模塊和單片機(jī)控制模塊。電源模塊是以PWM芯片為核心的AC—DC變換器，PWM芯片采用安森美半導(dǎo)體的電流型PWM控制器NCP1200作為控制芯片。單片機(jī)控制模塊采用美國(guó)微芯公司的PIC16F874作為微控制器，主要實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個(gè)模塊的關(guān)系可以用圖3來(lái)說(shuō)明。
圖3 工作原理
圖3中，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后供給高頻變換電路，由高頻變換電路產(chǎn)生輸出。單片機(jī)輸出兩路PWM信號(hào)，給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值，電源模塊按照單片機(jī)提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機(jī)采樣輸出電壓和電流進(jìn)行顯示，但這里單片機(jī)并不參與系統(tǒng)的反饋，反饋通過(guò)電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)(在后面的部分中會(huì)詳細(xì)講到)。
3 硬件設(shè)計(jì)
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 軟件流程
軟件用C語(yǔ)言編寫，使用HighTech公司為PIC系列單片機(jī)提供的PICC編譯器。系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)讀出非易失性存儲(chǔ)器(EEPROM)中上次設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行電流電壓輸出。在軟件設(shè)計(jì)中，采用多個(gè)任務(wù)的概念，可以模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。由定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)5ms的中斷，在中斷程序中激活各個(gè)任務(wù)的標(biāo)志。如顯示任務(wù)主要負(fù)責(zé)A/D采樣、數(shù)碼管與LED的刷新，可每5ms執(zhí)行一次。鍵盤處理任務(wù)負(fù)責(zé)按鍵的掃描、軟件去抖、鍵盤命令的解釋和掃行，可每10ms執(zhí)行一次。PWM輸出任務(wù)負(fù)責(zé)按照設(shè)定的值進(jìn)行PWM的輸出，可以每50ms執(zhí)行一次。如果有PC機(jī)或其他電源通過(guò)串口編程，單片機(jī)將在UART中斷中接收編程數(shù)據(jù)，接收完改寫EEPROM中設(shè)置并強(qiáng)行復(fù)位。如果接收到通過(guò)按鍵的編程，則在按鍵處理中修改EEPROM的設(shè)置并復(fù)位。程序主流程則掃描各個(gè)任務(wù)是否到時(shí)間執(zhí)行。是，則執(zhí)行該任務(wù);否則，跳過(guò)該任務(wù)。主程序流程如圖7所示。
圖7 主程序流程
4.2 串口編程軟件
在PC機(jī)上設(shè)計(jì)了軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通信。通過(guò)該軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電流電壓輸出、定時(shí)等參數(shù)的設(shè)定。只要將電源上的RS232口與PC機(jī)串口相連，就可實(shí)現(xiàn)通信。
利用Visual Basic中的Mscomm控件進(jìn)行串口通信軟件的設(shè)計(jì)(這里僅作簡(jiǎn)要的介紹)。PC端數(shù)據(jù)接收通過(guò)Oncomm事件來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達(dá)到rthreshold屬性設(shè)定值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)Oncomm事件，在中斷程序中讀出接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將收到的字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串后便送到各個(gè)文本框顯示。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先讀出文本框內(nèi)字符串，再將其轉(zhuǎn)換成字符型數(shù)據(jù)，最后通過(guò)單擊“發(fā)送”按鈕，將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)中，從而將數(shù)據(jù)從串口發(fā)送出去。
結(jié)語(yǔ)
采用單片機(jī)控制，克服了開(kāi)關(guān)電源單一輸出的缺點(diǎn)，能夠提供靈活的電壓輸出。通過(guò)功率聯(lián)合擴(kuò)展的功能，可以滿足不同功率場(chǎng)合的要求。電源也可以被當(dāng)成鉛酸電池充電器來(lái)使用，能自動(dòng)調(diào)整充電電流和電壓，應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛。
3.1 電源模塊電路
NCP1200是安森美半導(dǎo)體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應(yīng)用電路只需要使用很少的外圍元件，使設(shè)計(jì)更加緊湊。另外，芯片內(nèi)集成輸出短路的保護(hù)電路，使成本可以進(jìn)一步降低。
圖4是以NCP1200為控制芯片的電源電路的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，電源模塊中有兩種反饋類型。第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機(jī)提供的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)光耦來(lái)控制NCP1200芯片F(xiàn)B腳的電壓，調(diào)整DRV腳輸出PWM的脈寬來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當(dāng)采樣到的輸出電流值ISS超過(guò)單片機(jī)提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導(dǎo)通，將FB腳電壓拉低，使得NCP1200輸出PWM脈寬減小，從而達(dá)到限流的目的。當(dāng)輸出電流小于單片機(jī)提供的限流值時(shí)，限流反饋不起作用。
圖4 電源模塊電路結(jié)構(gòu)
圖中的輔助電源提供+12 V的電壓，另經(jīng)三端穩(wěn)壓器件KA7805(圖中未畫出)產(chǎn)生+5V的電壓，給比較器和單片機(jī)控制模塊提供電源。
3.2 單片機(jī)控制電路
PIC16F874是美國(guó)微芯科技公司(Microchip Technology)的一款8位單片機(jī)，內(nèi)置4K×14位的Flash、128字節(jié)的RAM和64字節(jié)的EEPROM。另外,它具有豐富的外設(shè)資源，其內(nèi)置1個(gè)UART模塊可供串口通信用，2個(gè)*模塊可以產(chǎn)生2路獨(dú)立、10位分辨率的PWM信號(hào)，8路10位的A/D轉(zhuǎn)換通道。另外，PIC系列單片機(jī)的每個(gè)I/O能提供25mA的驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)于LED的接口電路可以省掉外加晶體管的驅(qū)動(dòng)電路。
單片機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
圖5 單片機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖
單片機(jī)控制系統(tǒng)的主要接口電路：
① 按鍵接口電路。采用暫觸式開(kāi)關(guān)輸入，使用電阻電容去抖。
② 數(shù)碼管及LED顯示電路。數(shù)碼管顯示電壓、電流、時(shí)間等信息。LED指示當(dāng)前顯示的參數(shù)種類。PIC單片機(jī)的I/O能夠直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管和LED。按鍵輸入和顯示接口電路如圖6所示。
圖6 按鍵輸入和顯示接口電路
③ A/D采樣和PWM輸出電路。A/D負(fù)責(zé)采樣輸出電壓電流并送到數(shù)碼管顯示。當(dāng)前電流電壓設(shè)定值通過(guò)由單片機(jī)內(nèi)部的*模塊產(chǎn)生的兩路PWM信號(hào)來(lái)給電源模塊提供一個(gè)參考值。單片機(jī)內(nèi)部的*模塊可以設(shè)置成PWM輸出模式,通過(guò)寫周期寄存器和脈寬寄存器的值就可由硬件產(chǎn)生不同頻率和占空比的PWM波形。
④串口通信接口電路。串口通信接口電路采用MAX232芯片作為RS232收發(fā)器。
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