PWM可调直流稳压控制电源电路的设计研究

第42卷第2期
东北师大学报(自然科学版)Vol.42No.22010年6月Journal of Northeast Normal University (Natural Science Edition )J une 2010
[收稿日期]　2010202229
[基金项目]　吉林省科技发展计划项目(20080348).
[作者简介]　贺小光(1964—
),女,硕士,副教授,主要从事凝聚态物理和电路设计基础理论研究.[文章编号]100021832(2010)022*******
PWM 可调直流稳压控制电源电路的设计研究
贺小光,蓝　讽,陈敬艳
(长春师范学院物理学院,吉林长春130032)
[摘　要]　设计了一种基于KA3525的单片机辅助PWM 控制电源电路.给出了输出电路、调控电路以及调控电路所包含的控制电路、稳压电路的原理与实现方法.保护电路以及抗干扰电路的设计能够保证电路正常和安全运行.通过试验,得到了不同输出电压的VDS 电压波形图.结果证明该方案有效,实用于大功率可调控制电源.
[关键词]　KA3525;PWM ;稳压电源;单片机
[中图分类号]　O 453 [学科代码]　140・5020 [文献标志码]　A
随着半导体技术的发展,开关电源控制所需的集成开关稳压器控制芯片应运而生[1],这就是脉冲宽度调制(PWM )器件,而且功能不断完善,性能不断提高,外接元件却越来越少,这使得开关电源的设计大大简化,性能逐步提高,促进了开关电源的发展.开关电源又被称为高效节能电源,是一种高频电源转换电路,它采用开关器件来控制未经稳压的直流输入电源,配合相应的滤波线路,产生稳定的直流输出.输出电压的高低取决于开关器件的占空比[2].用PWM 器件设计的开关电源具有体积小、重量轻、效率高、可靠性好等显著优势,在民用和军用电子产品中发挥着日益重要的作用.
1　PWM 电源的指标要求
稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器3部分组成,变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电.整流器把交流电变为直流电.经滤波后,稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出.
稳压电源的技术指标:
(1)稳定性好.当输入电压U sr (整流、滤波的输出电压)在规定范围内变动时,输出电压U sc 的变化很小.
(2)输出电阻小.负载变化时(从空载到满载)输出电压U sc 基本保持不变.稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征.
输出电阻(又叫等效内阻)用r n 表示,它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比r n =ΔU sc ΔU fz
.r n 反映负载变动时,输出电压维持恒定的能力,性能优良的稳压电源,输出电阻r n 可小到1Ω,甚至到0.01Ω.
(3)电压温度系数小.当环境温度变化时,会引起输出电压的漂移.良好的稳压电源,应在环境温度变化时,有效地抑制输出电压的漂移,保持输出电压稳定.
(4)输出电压纹波小.纹波电压是指输出电压中50或100Hz 的交流分量,通常用有效值或峰值表示.经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低,降低的倍数反比于稳压系数S .
2　PWM 工作的基本原理
PWM 器件是根据输出反馈,调节脉冲方波的占空比,以此来驱动功率器件、高频变压器、整流、滤波等
东北师大学报(自然科学版)第42卷电路,从而得到稳定的直流输出电压
,PWM 器件在开关电源中完成脉宽调制作用,大多数PWM 器件还具有工作电压的滞回、软启动、快速关闭、电流限制等辅助功能,只需外接少数阻容元件、分立器件和输出高频变压器即可实现性能比较理想的开关电源.
PWM 要求将电压信号转化为脉冲宽度信号,基本的原理工作波形如图1所示.锯齿波发生器A 1产生周期为T 的锯齿波U 01,幅值为U 01m 并将其送至A 2的反相输入端,与比较器同相输入端的电压控制信号U t 相比较,当U t 大于锯齿波电压时,比较器输出为高电压;反之,输出低电压.关系式为
U 01=(U 01m /T )t ,(0≤t ≤T ).
(1)当U 01=U t 时,t =T ON ,有
T ON =(U t ×T )/U 01m .(2)
式中T ON 是正脉冲的宽度.由(1)和(2)式可知,
T ON 正比于U t .
图1　PWM 基本原理工作波形
3　PWM 电源电路整体设计
KA3525作为电流型PWM 控制器,功能比较完善,用电流控制最终以电压的形式表现出来,因此整个系统的控制方式基本上是以电压作为主线的[325].任何周期函数都可以展成傅里叶级数,在傅里叶级数的展开式中有直流分量、一次谐波、二次谐波和三次谐波等.整个电路是由CMOS 管在调控电路控制下,对电压进行斩波然后提取直流分量,根据电源的要求滤掉谐波.
PWM 电源的输出电路见图2.由图2可见:D =
T ON T OFF 为占空比[627],则有f (x )=13202D
D +1+2×660
2πsin πx 2+13sin 3πx 2+15sin 5πx 2.(3)
图2　PWM 电源输出电路
本文PWM 电源电路主要有电源的输出电路和调控电路组成.调控电路主要有控制电路、跟踪稳压电路和保护电路组成,原理框图见图3,调控实际电路见图4.
图4所示KA3525具有软启动功能,由内部5V 基准源经50μA 的恒流源传给KA3525.
3.1　输出电压可调控制电路
输出电压可调控制电路以电容充电来实现的,在电容器充电的过程中以电容器上的电压缓升来达到PWM 脉宽缓慢展宽的目的.基于这种考虑,当给定KA3525的8脚上一定电压值时,应得到一固定脉宽输出,根据KA3525的资料手册,给定KA3525的8脚上的电压典型值在3.2～5V 之间时,脉宽不变;当电压值达到3.2V 时,KA3525的输出为最大脉宽;当从某一电压值上升至3.2V 时,在这段电压范围内,对应47
第2期贺小光,等:PWM 可调直流稳压控制电源电路的设计研究的电压值对应了固定的脉宽输出,以高频变换得到了相应的电压输出,由此达到输出电压可调的目的
.图3　PWM 调控电路框图
图4　PWM 实际调控电路
输出电压可调控制电路的实现是由单片机通过锁存器(74L S377)U5和DA 转换器(DAC0800)U9实现的,由+12V 电源经L M7808提供给U9稳定的+8V 的基准电压源.当单片机给74L S377送入数据并由74L S377将数据锁存,经DAC0800转换后输出的直流电压给KA3525的2脚,即在KA3525内部的误差放大器同相端给定一电压值,不同的基准稳压电压,可实现不同的电压输出.考虑到电路的抗干扰能力,由单片机给定74L S377的1脚和11脚双重的选通功能.
图5　闭环负反馈电路图3.2　基准源电路
整个电路要求稳压精度较高,若要采用单片机来稳压的
话,由于单片机运行一条最简单的指令也需要1个周期,当
采用12M Hz 晶振时,一个周期为1μs ,显然不符合闭环稳
压的要求.采用KA3525内置的误差放大器来实现闭环稳
压,实现的原理是运用电压误差放大器实现电压负反馈电
路,单片机来给定每一级需要稳压基准点,以此来实现输出、
稳定一级电压,以达到设计要求.根据闭环负反馈的电路原理可知(见图5),稳压基准电压V ref 与U ′维持平衡电压值只
相差10mV ,当输出电压U out 升高时,U ′的电压值必定升高,则误差放大器的输出电压下降,使得KA3525内部的PWM 波输出脉宽变窄.经过一系列高频变换滤波得到的输出电压U out 降低,从而达到稳压目的.
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东北师大学报(自然科学版)第42卷反馈电路若需要输出的电压升高或降低,则需要稳压基准电压V ref 跟着升高或降低才能达到输出稳压的目的.
3.3　抗干扰设计
开关变换器本身具有一定的开关噪声,会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号.电磁干扰的产生是由开关电源本身的特点所决定的,是难以避免的,关键是如何采取有效的措施来减小其干扰程度.由于保护电路是模拟电路和数字电路组成的混合电路,所以在运放的输出端加一个PN P 型的三极管来提高它的抗干扰能力.
另外在上电的瞬间,运放会输出一个瞬时的高电压送到74L S32(U14)的9脚,经一个电阻到74L S32(U14)的10脚形成正反馈回路使74L S32(U14)的8脚输出维持高电压,迫使KA3525关断输出.为此设计了由4069(U19)和74L S21(U18)及二极管D 8所组成的上电复位电路(见图6).由图6可知:系统上电复位后,由于SHU T 信号为高电压,使74L S21(U18)的8脚输出为低电压,将74L S32(U14)10脚的电压拉低
,解决了上电瞬间至开机后KA3525输出一直维持关断的状态
.
图6　抗干扰电路
图7　电源保护电路
3.4　过压保护技术
直流电源输出过电压故障较少,但过电压具有破坏性.使用TV P
管构成的电源过压保护电路见图7.当电源发生过压故障时,TV P 管
被击穿而将电压箝位于TV P 管的VC 以内,从而保护了控制装置.
当电压持续过压时,抑制电源线上的尖峰干扰通常不会烧毁保险丝,不
干扰计算机正常运行.
图8　PWM 程序结构框图
3.5　短路保护技术开关电源同其他电子装置一样,短路是最严重的故障,当出现短路过流时,必须采取有效的保护措施.为了实现IG B T 的短路保护,则必须进行过流检测.采用IG B T 过流检测方法,用霍尔电流传感器直接检测IG B T 的电流I c ,然后与设定的阈值比较,用比较
器的输出去控制驱动信号的关断.也可以用采流信息与
过流时V ce 增大呈线性的关系,检测过流时的V ce 并与设
定的阈值进行比较,用比较器的输出控制驱动电路的
关断.
4　软件实现
电路的软件结构由初始化、预设定及故障检测程序
等构成,以单片机A T89C2051为软件控制核心.其程序
结构框图如图8所示.单片机A T89C2051为控制程序.
本文取其中一种驱动电压波形和VDS 电压波形图67
第2期贺小光,等:PWM 可调直流稳压控制电源电路的设计研究见图9.
通过图9波形图来看,从驱动管上的电压波形可以看出驱动管的工作是很安全的,解决了由变压器的漏感引起的驱动管上的尖峰电压,证明了电路的可行性
.
图9　控制电源电路实现的波形图
5　总结
该PWM 可调直流稳压电源控制电源电路增加了放大环节,提高了电源电路的稳定性,使输出电压可调.用复合管做调整管,使输出电流增大.通过增加保护电路,使电源工作安全可靠.它的特点是占空比与输入电压成正比(频率成反比),不受负载影响,因而容易大范围控制.
给出的硬件和软件均经过实践检验,系统的设计也基本满足了预先制定的稳定性好、输出电阻小、电压温度系数小等要求,而且系统稳定、运行良好、使用方便、直观.可以广泛的应用于实验用的可调电源和蓄电池充电电源.
[参　考　文　献]
[1]　张占松.开关电源的原理与设计[M ].北京:电子工业出版社,2001:5235.
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The design of PWM adjustable DC regulated control pow er supply
H E Xiao 2guang ,L AN Feng ,C H EN Jing 2yan
(School of Physics ,Changchun Normal College ,Changchun 130032,China )
Abstract :This paper designed a PWM cont rol power circuit based KA3525single chip micyocos.The outp ut circuit ,modulation circuit and t he cont rolation circuit ,regulation circuit of t he modulation cir 2cuit were designed ,t he principles and realization met hods of t hem were illuminated.The design of p ro 2tecting circuit and anti 2interference circuit would guarantee t he regular and safe operation of t he whole circuit.The different outp ut Vds voltage waveform diagrams were obtained t hrough t he experement s.The result showed t hat t he p rogram was practical and effective.
K eyw ords :KA3525;PWM ;regulated power supply ;single chip micyoco
(责任编辑:石绍庆)77。