单片机控制下可变输出电压的电源设计

陈菁+张万

摘 要： 针对目前使用的开关电源几乎都采用旋钮开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦的缺点，设计一种基于STC12C5A60S2单片机的可变输出电压的电源，使其功能更加完善并提高智能化程度。它产生两路47 kHz的PWM脉冲信号，分别经过MOS驱动IC IR2104控制两个BUCK电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈两路的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电压闭环控制系统。设计按键能设置输出电压的大小、液晶屏显示实时输出电压与电流。测定显示在额定电流1 A输出的情况下，满载的供电效率为82%，输出电压误差小于0.15 V。

关键词： 开关电源； BUCK； STC单片机； IR2104； 可调输出； 精确控制

中图分类号： TN911?34； TN958 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）02?0091?04

Abstract： As the rotary switch is mostly used in the current switching power supply to regulate the voltage， which has low regulation precision， frequency hops and troublesome operation， a variable output voltage power supply based on the STC12C5A60S2 microcontroller was designed to further enhance its function and improve its intelligence level. The power supply produces two 47 KHz PWM pulse signals which control two BUCK circuits respectively by making MOS drive IC IR2104. The MCU with built?in 10?bit ADC can feed back the current and voltage values of the two signals in real time by voltage and current detection， and regulate the output duty cycle of PWM to form a voltage closed?loop control system. The button can be designed to set the output voltage value， and the LCD screen can display the real?time output voltage and current values. The test shows that the full?loaded power efficiency is 82% and the error of output voltage is less than 0.15 V under the condition of 1 A output rated power.

Keywords： switching power supply； BUCK； STC microcontroller； IR2104； adjustable output； precision control

0 引 言

20世纪50年代初，美国宇航局为了搭载火箭，开关电源应运而生，从此开关电源以小型化、轻巧化为创造目标。在发展了半个多世纪后，开关电源技术越来越成熟，更因具备了体积小、重量轻、性能稳定、发热低、转换效率高等优点，慢慢地取代了传统电源技术下所制造的不间断工作电源，在电子设备等各领域具有广泛的应用[1?2]。然而，在电力电子器件方面，目前使用的几乎都为旋钮开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，造成使用上的麻烦。目前国内外学者研究的开关电源普遍存在的问题有：多数使用模拟IC控制，控制式样不够智能化；不能显示输入和输出的电流电压状况；多数开关电源为固定输出；可调的开关电源只能手动通过电位器模拟调整，不能直接得到准确的预设电压[3?4]。

本文采用51单片机和斩波外围电路设计出一种可调稳压电源，并且通过控制PWM调试不同的占空比来实现输出电源的调制。采用单片机来控制开关电源，可使其功能更加完善并提高智能化程度，可以通过监测相关信息的反馈分析得到实时数据，对运行中的开关电源进行检测、分析反馈信息并显示电源状态；设置相关按键进行输出电压的精确控制；还能自动监测电源功率，对电源进行过压、过流保护，提高设备的安全性，进行实时控制等。

1 系统论述及整体结构

直流?直流（DC?DC）变换是将固有的直流电压转换成可调整的电压，又叫作直流斩波。它有多种拓扑结构，本系统应用的是BUCK型直流/直流变换，其特征是输出的电压比输入电压低。当MOS管或者三级管导通很长时间后，所有的元器件均处在一种理想状态的情况下，此时电容的电压会等于输入的电压。

笔者设计的开关电源由STC单片机、BUCK主回路、降压稳压电路、按键电路、液晶电路、电压检测电路、电流检测电路等组成。系统总体设计构架图如图1所示。

1.1 单片机

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，其是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合[5]。endprint

1.2 IR2104半桥驱动电路

IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。上电时，电源流过快恢复二极管D向电容C充电。C上的端电压很快升至接近VCC，这时假如下管导通，C负极被拉低，形成充电回路，会很快充电至接近VCC。当PWM波形翻转时，芯片输出反向电平，下管截止，上管导通，C负极电位被抬高到接近电源电压，水涨船高，C正极电位这时已超过VCC电源电压。因有D的存在，该电压不会向电源倒流，C此时开始向芯片里面的高压侧悬浮驱动电路供电，C上的端电压被充至高于电源高压的VCC，只要上下管一直轮流导通和截止，C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电，上管打开的时刻，高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。采用该芯片降低了整体电路的设计难度，只要电容C选择恰当，该电路就会稳定运行[6?7]。

1.3 电路供电电源的选择

线性降压芯片7805。这个稳压IC需要的外围元件很少，IC内部还有过流、过热及调整管的保护措施，不但价廉而且输出电压很稳定[6]。

1.4 电流检测电路

要完成对输出电压和电流的闭环控制，务必对输出电流经过运放放大后进行采样反馈。为了板子器件的安全，设定保护电流为1 A，即电流超过1 A，系统进入保护状态。本设计采用电阻分压的式样对输出的电压进行实时检测。因为采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测，单片机供电电源为5 V，所以其内部自带的检测的最高电压也为5 V。这个电路中，单片机由5 V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之前有1.2 V压差，所以能输出最大电压为3.8 V。1 A电流经过0.020 Ω电阻得到的电压为0.020 V，该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到，在这个应用中运放的放大倍数，这里选择R22和R20为33 kΩ和1 kΩ，放大倍数为符合设计要求。即当电流为1 A时，运放输出电压为。

1.5 电压检测电路

输入电压为40 V，而单片机的采样电压最高为5 V，故电压采样电阻比例应该小于，这里取R1和R5分别为47 kΩ 和4.7 kΩ，，满足条件。当12 V输入时，单片机检测到的电压

1.6 按键电路

目前，单按键这种模式的键盘使用方便，响应快并且接口还简洁。综合以上，本系统采用非编码式键盘。本系统设计应用了4个按键，按照按键来定义它的功能，键盘与单片机的P2.3，P2.2，P2.1，P2.0键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令的接口设备。

1.7 液晶显示模块

该系统采用1602液晶显示。该液晶驱动电流较小，能显示较大信息量，如输入/输出的实时电压、输出的实时电流、预设的输出电压等，无需增外设电路。

总之，本开关电源采用STC12C5A60S2单片机产生的两路47 kHz的PWM脉冲信号，分别经过MOS驱动IC IR2104控制两个BUCK电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈两路的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电压闭环控制系统。制作实物如图2所示。

2 设计实物的测试实验

做出电源的实物后，对电源的一系列参数进行测试。实验仪器有：兆信60/5 A数显线性电源；4个深圳胜利VC980+数字万用表，负载为100 W的50 Ω环形滑动变阻器，单片机输出的载波频率为40 kHz或47 kHz，Siglent双通道200 MHz示波器[8?9]。

2.1 电压调整率测试

输出/输入电压测试结果如表1所示（测试条件为输出电压20 V，输出电流1.00 A）。

2.2 负载调整率测试[10]

把示波器的其中一个探针接到单片机的PWM输出口，地接到另外一个端口，得到的测试波形如图3所示， 把探针放在上下MOS管脚G极的驱动波形如图4所示，测试数据如表2所示。

负载调整率：

2.3 额定功率下的供电效率测试[11]

供电效率测试数据如表3所示。

由以上数据得到，输出噪声纹波电压峰?峰值的测试，示波器显示测试输出电压为，该电源的电压调整率为0.70%，负载调整率为0.21%，满载输出情况下，供电效率为82%。当输出电流大于2 A时，保护电路启动，输出电压为0，输出纹波峰峰值为290 mV。

3 总 结

经过研究国内外关于开关电源的方式，本开关电源设计采用STC12C5A60S2单片机产生的两路47 kHz的PWM脉冲信号，分别经过MOS驱動IC IR2104控制两个BUCK电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈两路的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电压闭环控制系统。按键能设置输出电压从0～30 V的限度，液晶能显示实时输出电压与电流。在额定电流1 A输出的情况下，满载的供电效率为82%。按键设置的输出电压的误差小于0.1 V。本设计实现了以下功能并具有良好的运行效果：使开关电源硬件更加智能化，直接用单片机控制；能显示输入和输出的电流电压状况，实时监测电源的运作；能经过按键数字化地设置预设输出电压，得到精确的设定电压。

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