基于AT89S52单片机的开关电源设计_赵亚范

４ 测 试 结 果 分 析
图 ５ 系 统 软 件 程 序 设 计
系统测试主要是对电流分配、过流保护功能 和 供 电 效 率等指标进行测试。
１）电 流 测 试 通过改变输入条件，即实现不同电流比例，记录通过两
模块间的电流和负 载 输 出 电 压 值 。 ［１０］ 对 测 试 得 到 的 数 据 进行分析与处理，可 计 算 系 统 的 供 电 效 率，测 试 的 数 据 如 表１所示。
２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂａｓｉｃ，Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴ８９Ｓ５２ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｃｅｎｔ ｔｏ ｐｒｅｓｓ ｃｈｉｐ ＬＭ２５９６ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｏｄｕｌｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｃｈｉｐ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｃｈｉｅｖｅ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｓｔａｂｌｅ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｏｕｔｐｕｔ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｂｏｖｅ ６０％ ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＴ８９Ｓ５２；ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ＬＭ２５９６；ＤＣ／ＤＣ
图 １ 总 体 方 案 设 计
２ 硬 件 电 路 设 计
根据总体设计框图，主 要 介 绍 单 片 机 系 统、ＤＣ／ＤＣ 模 块 、程 控 电 阻 模 块 的 设 计 与 实 现 。 ２．１ 主 控 制 器
采用 ＡＴ８９Ｓ５２ 单 片 机，ＡＴ８９Ｓ５２ 完 全 兼 容 ＭＣＳ－５１ 系列单片机，内部集成有８ＫＢ 的 Ｆｌａｓｈ存 储 器，是 １ 个低 功耗，高性能的５１内核的 ＣＭＯＳ ８位单片机，具有２５６Ｂｙｔｅ 的随机存取数据存储器，３２个Ｉ／Ｏ 口，２个１６位可编程定 时计数器 。 ［３］ 目前单片机的技 术 比 较 成 熟，硬 件 设 计 简 单 实用，可靠性高，由于本系统需要控制的量少，采 用 单 片 机 完全可以实现全系统的控制。另外，单片机系统 在 性 价 比 方面更是有着其他处理器无法比拟的优势。 ２．２ ＤＣ／ＤＣ 硬件电路设计
１ 总 体 方 案 设 计
系统总体方案设计如图１所示。 整个系统主 要 分 为 以 下 几 个 部 分：单 片 机 系 统、ＤＣ／ ＤＣ 模块、程控电阻模块。本设计主要用２个 ＤＣ／ＤＣ 开关
本 文 于 ２０１２ 年 ７ 月 收 到 。
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第 ３５ 卷
电 子 测 量 技 术
电源模块并联供 电，时 输 出 电 压 恒 定，输 出 电 流 按 比 例 能 够 自 动 调 节 ，供 电 效 率 大 于 ６０％ ，电 压 、电 流 要 求 精 度 高 。
为了在一定范围内产生可变 的电 阻值，设 计 １ 个 程 控 电阻模块电阻负载。具体的方法是：在适当阻值 的 电 阻 的 两端并联１个继电器，通过单片机控制继电器的通 断 来 实 现电阻的控制。
图３中 Ｒ１ 代表参考电阻，可以实现２１ｎ 的精度控制，完 全可以满足系统的需要。
（ ） Ｒ总 ＝
Ｒ
＋
Ｒ ２
可编程器件应用 电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
第３５卷 第１０期 ２０１２ 年 １０ 月
基于 ＡＴ８９Ｓ５２单片机的开关电源设计
赵 亚 范１ 刘 佳 琪１ 王 坤２
（１．海 军 航 空 工 程 学 院 基 础 实 验 部 烟 台 ２６４００１；２．海 军 航 空 工 程 学 院 基 础 部 烟 台 ２６４００１）
０．４９６ ０．４９２ ７．９９
ＬＭ２５９６ＤＣ－ＤＣ 集 成 电 路［４］，ＬＭ２５９６ＤＣ－ＤＣ 集 成 电 路 是降压型电源管理单片集成电路，能够输出３Ａ 的驱动电 流，同时具有很好的线性和负载 调 节 特 性。固 定 输 出 版 本 有３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ，可调版本可以输出１．２～３７Ｖ 的各种 电压。该器件内部集成频率补偿 和 固 定 频 率 发 生 器，开 关 频率为１５０ｋＨｚ，与低频开关调节器相比较，可以使用 更小 规格的滤波元件。由于该器件 只 需 ４ 个 外 接 元 件，可 以 使 用通用的标准电感，这更优化了 ＬＭ２５９６的使用，极大地简 化了开关电 源 电 路 的 设 计［５］。该 器 件 还 有 其 他 一 些 特 点： 在特定的输入电压和输出负载的条件下，输 出 电 压 的 误 差 可 以 保 证 在 ±４％ 的 范 围 内 ，振 荡 频 率 误 差 在 ±１５％ 的 范 围 内；可以用仅８０μＡ 的待机电流，实现外 部 断 电；具 有 自 我 保 护 电 路 ，１ 个 两 级 降 频 限 流 保 护 和 １ 个 在 异 常 情 况 下 断 电 的过温保护电路。ＬＭ２５９６控制电路如图２所示。 ２．３ 程 控 电 阻 硬 件 电 路 设 计
３ 软 件 设 计 与 分 析
软件主要是为了实现控制模块，使 其 对 反 馈 信 号 进 行 自动 的 处 理 ，单 片 机 控 制 程 控 电 阻 与 过 流 保 护 的 原 理 如 图 ５ 所示。当电路正常接通时，电流传 感 器 不 停 的 给 单 片 机 传 输 电 路 电 流 参 数 ，单 片 机 通 过 对 数 据 的 处 理 发 出 指 令 ［８］，当 电路电流小于４．５Ａ 正常运行；当电路电流大于４．５Ａ 时 启动过流保护。过流保护对系统有很重要的作用 。 ［９］
次数 １ ２ ３ ４ ５
平均值
Ｉ１∶Ｉ２ ＝ １∶１
Ｉｏ ＝ １．０Ａ
Ｉ１／Ａ
Ｉ２／Ａ
Ｕｏ／Ｖ
０．４８５ ０．５０９ ７．８９
０．５１０ ０．４８９ ７．９３
０．５０３ ０．４９４ ８．０４
０．４７２ ０．５０１ ７．９６
０．４９６ ０．５０３ ８．１４
摘 要：主要论述了基于 ＡＴ８９Ｓ５２单片机的一种开关电源的设计原 理 及 实 现 方 法，采 用 开 关 电 压 调 压 芯 片 ＬＭ２５９６ 作为主控单元，主控制器通过控制程控电阻模块，实现并联供电系统输出电流的自动调节分配。同时芯片连 接 电 流 传 感电路与过流保护电路，对输出电流实时检测，并反馈给主控器，实现过流保护。供电系统输出稳定的直 流 电 压，并 且 供 电 效 率 达 到 ６０％ 以 上 ，设 计 的 产 品 可 应 用 于 通 信 设 备 和 电 子 产 品 中 ，实 用 性 较 高 。 关 键 词 ：ＡＴ８９Ｓ５２；开 关 电 源 ；ＬＭ２５９６；ＤＣ／ＤＣ 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３０３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴ８９Ｓ５２ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ
Ｚｈａｏ Ｙａｆａｎ１ Ｌｉｕ Ｊｉａｑｉ １ Ｗａｎｇ Ｋｕｎ２ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００１；
图 ４ 输 出 阻 抗 法 均 流 原 理
由 图４可知，当负载电流为Ｉｌ ＝Ｉｏ１＋Ｉｏ２时，负载电压 为Ｖｏ，按 ２ 个 模 块 的 外 特 性 倾 斜 率 分 配 负 载 电 流，斜 率 不
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赵亚范 等：基于 ＡＴ８９Ｓ５２单片机的开关电源设计
第 １０ 期
相等，电流分配也不等；当负 载 电 流 增 大 到Ｉｌ′ ＝Ｉｏ１′ ＋Ｉｏ２′ 时，负载电压为Ｖｏ′。可知，模块１外特性斜率小，分 配 电 流 的增长比外特性斜率大的模块２增长大。如果能设法将 模块１的外特性斜率 调 整 得 接 近 模 块 ２，则 可 使 这 ２ 个 模 块的电流分配均匀 。 ［７］ 只要调整图４（ｂ）中 的 输 出 阻 抗 Ｒ， 使各个模块的外特性基本一致即可。
是 电 压 控 制 型 ，它 只 对 输 出 电 压 采 样 ，作 为 反 馈 信 号 行 闭 环 控制，采用脉宽调制技 术，调 节 输 出 电 压；另 一 种 是 电 流 控 制型，在 ＰＷＭ 电压控制的基础上，增加１个电流反馈环节。 本 文 采 用 电 压 控 制 型 ，设 计 １ 个 并 联 的 供 电 系 统 ，保 持 输 出 电压在８Ｖ 左右，电流可自动分配，使２个模块输出电流之 和Ｉｏ ＝１．０Ａ，并且能按Ｉ１∶Ｉ２ ＝１∶１和Ｉ１∶Ｉ２ ＝ １∶２用 ２种模式自动分配，使２个模块输出电流之和Ｉｏ ＝４．０Ａ，可 以按Ｉ１∶Ｉ２ ＝１∶１模式自动分配。系统有负载短路保护功 能，适用于对电源要求严格的产品。