基于MCU控制的开关电源稳压电路设计

李淑红++邢军

摘 要： 设计了一款基于MCU控制的开关电源稳压电路，该系统主要由整流滤波电路、推挽式功率变换电路和控制电路组成，并通过MCU调节PWM控制开关电源输出电压。MCU输出的数字信号通过DAC0832转换为模拟信号，该模拟信号作为开关控制芯片SG3525第二管脚的基准电压，SG3525根据基准电压的变化自动产生PWM控制脉冲，调节开关管的输出脉宽，从而达到调节输出电压的目的。实验表明，输出电压可调范围为28～36 V，最大输出电流Imax=15 A，开关电源的效率为η=89%。

关键词： 开关电源； MCU； SG3525； 稳压电路

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0139?03

传统的开关稳压电源通常以模拟脉宽调制芯片为核心控制开关电路、整流电路等完成稳定电压输出。随着数字控制技术的发展，单片机、数字信号处理器等数字芯片也逐渐参与到开关电源的设计当中，带来了可编程性、高集成度、高扩展性等优点。本文设计了一种基于AT89S51单片机芯片的智能开关稳压电源，该电源以微控制器（MCU）为核心，利用单片机AT89S51与SG3525专用控制芯片相配合，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。充分发挥了数字信号处理器及微控制器的优势，该电源具有高输出精度、高效率、自动调压、性能可靠等特点。

1 系统总体设计

其系统方框图如图1所示。

本设计选用推挽式功率变换器[1]，该功率变换器主要由开关管和高频变压器组成，其工作原理是利用开关管的交替导通和截止使高频变压器原边产生交变电流，以电磁耦合的方式将能量传递给高频变压器副边，用以驱动直流负载。

AC输入220 V（经过整流滤波之后大约是DC 20～29 V），输出20～36 V，这是一个DC?DC升压过程。

如图2所示为推挽式开关电源的典型电路。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在脉宽调制集成控制器SG3525的控制下交替的导通与截止，在变压器T次级绕组得到升压的方波脉冲，经整流滤波后变为所需要的直流电压。这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器的原边是两个对称线圈，两只开关管对称且轮流通断。

2 电路设计

设计思路：利用AT89S51单片机扩展D/A转换器，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与基准电压值之差，由单片机控制PWM芯片调整D/A转换器的输出，间接控制电源的工作。这种方式中单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节。该开关电源以AT89S51单片机为控制芯片，通过单片机调节控制开关电源输出电压的步进，步进增减为1 V。单片机输出的数字信号通过DAC0832转换为模拟信号，该模拟信号作为开关控制芯片SG3525第二管脚的基准电压，SG3525根据基准电压的变化自动产生PWM控制脉冲，调节开关管的输出脉宽，从而达到调节输出电压的目的[2]。实现了开关电源的可靠工作。如图3所示为控制部分电路连接图。

由于本设计采用AT89S51单片机，它本身不带D/A转换器，经转换后输出信号为数字信号，而PWM芯片SG3525采用模拟信号控制，故需要经过D/A转换，再把模拟信号与SG3525的第二引脚即同相输入端相连给SG3525提供基准电源。本设计采用P0口为8位数据传输口，单片机的振荡电路采用内部时钟电路：利用AT89S51单片机的内部一个高增益的反相放大器，把一个晶振和两个电容器组成自激振荡电路，接于XTAL1和XTAL2之间。这样振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路，该系统中晶振选用石英晶体，振荡频率为12 MHz，电容器为33 pF电容，XTAL1，XTAL2为单片机提供频率为12 MHz的频率，RST是系统复位，系统复位后使单片机开始工作。由于输出单极性模拟电压为-5 V，参考基准点电压为+5 V，还需要加一个运算放大器LM741，R13和R14都取10 kΩ，其电路图如图3所示。

[Uo=-IR1=-R14R13×U1=5 V]

控制芯片SG3525的应用电路如图4所示，电源控制芯片SG3525的第11，14脚交替输出触发脉冲，控制VT1，VT2交替导通，实现电源的工作。

此过程将前端的直流信号转变成交流信号，再经过输出整流和滤波电容将交流转变成直流[3]，完成整个变换过程。

输出电压的可调整与稳压控制：开关电源是借助晶体管的开/关来实现能量交换的，其输出控制由晶体管的导通时间决定，本文采用PWM控制晶体管导通的占空比。单片机输出的数字信号通过DAC0832转换为模拟信号，该模拟信号作为开关控制芯片SG3525第二管脚的基准电压，SG3525根据基准电压的变化自动产生PWM控制脉冲，调节开关管的输出脉宽。要提高输出电压，只需调宽控制脉冲有效电平的宽度即可。同理，其稳压过程也是基于此原理。

3 软件程序的设计

软件流程图如图5所示。AT89S51单片机内部具有2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。可以灵活地配置给各模块使用以及工作于低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率；SG3525 作为单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。使得整个电路不需要任何扩展就能完成对电源输出电压的实时采集、PWM输出。

本设计的电路结构极为简单。软件采用C语言编写，整个程序包括的子模块有：按键消抖模块、A/D电压采集模块和PWM波控制模块等几个部分。

开机时单片机初始化，两数码管均显示0，负载上没有电压，当按下键盘上任一键，就使单片机的程序进入外部中断1，在此中断服务程序中，先延时消除按键的抖动，再判断是否有键按下，无键按下就返回主程序，有键按下了，根据按下键的键号来产生相应的操作，执行完后返回主程序。按K1键来判断要调整的数位，每按一次，数码管显示00和01不断的交替，00表示要调整的是十位，01表示要调整的是个位。按K2键，使相应的数位加1，按K3键，使相应的数位减1，两数码管分别显示电压的调节的过程，用寄存器R3保存十位数值，用寄存器R5保存个位数值。通过按K2和K3调出一个数据，当按下K4时，将R3和R5两个寄存器中的数组成一个十进数送DAC0832，完成数模转换。在程序中用寄存器R3和R5存数，有利于十进制数的两位分别调试和组合[5]。程序中用到外部中断0和外部中断1，外部中断0用来在数控电源的输出电流过大时，起保护作用。关闭D/A转换。由于过流保护作用的重要性，它的中断优先等级设为高级。外中断1用在4个按键的操作上，分别是数位选择键K1，增加键K2，减少键K3和D/A转换键K4[5]。

按键消抖模块：当检测到按键状态变化后，先等待10 ms 左右的延时时间，让抖动消失后再进行1次按键状态检测，如果与刚才检测到的状态相同，就可以确认按键已经稳定的动作。通过AT89S51实现负载电压的设定与显示。A/D电压采集模块：通过DAC0832的8位A/D转换模块，对系统输出的电压值进行采集。

PWM波控制模块：利用AT89S51单片机的RAM定时计数器的比较功能，产生驱动MOSFET的信号，对系统输出电压进行控制，使输出电压稳定。

4 实验结果

本文设计了基于AT89S51控制的一种开关电源。该电路可以将交流电变换成直流电，通过SG3525芯片的控制实现自动稳压的功能，得到幅度稳定、波形优良、频率稳定的电压。采用脉宽调制（PWM）方式。为了降低电磁干扰，开关频率设计为53 kHz。在设计中控制芯片采用SG3525、驱动电路采用脉冲变压器隔离的推挽功率放大电路，实验得到波形如图6所示。输出电压Uo为2～36 V可调，最大输出电流Imax=1.8 A。DC?DC转换器的效率η=89%。

5 结 语

与传统的开关稳压电源相比，该电源使负载的发光效率提高，电源设备的功耗大大降低。而且输出电源电压波形优良，频率稳定，控制方便，开关电源带负载能力比传统的方法在可靠性和效率方面都有所提高。

参考文献

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[2] 周成虎，瓮嘉民，张昆.一种无接触供电的无线鼠标[J].电子技术应用，2011，37（9）：42?44.

[3] 高金峰，周成虎.基于单级电子镇流器的新型触发电路[J].郑州大学学报，2007，28（3）：83?85.

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