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数控开关稳压电源

摘要

本系统基于51单片机为控制单元，采用LM2576-ADJ数控开关稳压电源中的模糊数字控制技术，调整负载R1,R2比例来改变占空比使输出稳定，并且可通过按键、数码显示实现输出电压数控。此外，系统加以输入过压、输入过流、输出过流、开关管过热等保护电路，保证系统稳定可靠地工作。

关键字： 数控开关电源 LM2576-ADJ 单片机

方案比较与选择

方案1：采用分立元件，例如自激式开关稳压电源，电路原理图如下：

图1 方案一框图

输入电压为AC220v，50Hz 的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为直流，通过控制电路中开关管的导通和截止使高频变压器的一次测产生低压高频电压，经由小功率高频变压器藕合到二次测，再经整流滤波，得到直流电压输出。为了使输出电压稳定，用了TL431 取样，将误差经光耦合放大，通过PWM 来控制开关管的导通与截止时间（即占空比），使得输出电压保持稳定。

由上可见，这种方案电路比较复杂，调试难度大，所以不可行。

方案2：

开关变换电路

输出滤波整流电路

采样电路

AT89S52

A/D处理

PWM

按键

显示

PMOS驱动电路

20V输入

5～12V输出

过压、过流、短路、过热

外部中断

A/D转换

图2 方案2框图

DC-DC变换采用BUCK型变换器，用A/D不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，利用片内PWM模块输出PWM波，直接控制电源的工作。ARM扩展按键、数码显示功能实现数控输出电压。

此方案电路虽简单，但均由分立元件组成，受干扰大；并且PWM模块中单片机52控制程序复杂，考虑与A/D程序切换等因素，会造成输出的PWM波形延迟、失真，这样致使输出电压不够稳定等等。

方案3：采用电源专用芯片如LM2576-ADJ，其典型电路如下：

图3 方案三电路

LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力，并且LM2576稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率正当其，能将外部元件的数目减到最少，使用简便。

本方案中，220V/50Hz交流电压经过整流电路和DC/DC稳压芯片LM2576-ADJ变换为稳定的直流电压，然后通过调整R1和R2的比例关系来调整LM2576芯片的输入占空比来稳定输出电压。外部电路元件数量较少，程序也比较简单，并且输出电压稳定性也比较好。

通过对各种方案可行性、复杂程度、系统指标等方面的比较，综合各方案的优缺点，我们采用第三种方案。

系统的总体设计

系统以单片机AT89S52、LM2576-ADJ为核心部件，通过单片机对输出电压进行采集、比较、运算，从而对输出电压进行自动调节控制， 系统结构框图如图1所示。

220V/50Hz交流电压经过整流电路和DC/DC稳压芯片LM2576-ADJ变换为稳定的直流电压5～12V输出，输出电压通过取样电路采样，经A/D转换芯片ADC0804转换后送给52处理后，控制模拟电子开关4051来分别选通9个电位器R2，改变R1和R2比例值，从而改变LM2576-ADJ芯片的PWM脉冲的占空比，使MOS管工作于开关状态，将输入的15V直流电压“斩波”为与PWM波频率相同的脉冲波，脉冲波通过整流滤波电路输出为5～12V的直流电压。

因为此题目要求有9个输出步进需求，所以可以事先调好每个电压对应的电阻值，通过按键选择输出电压，直接送给模拟开关4067选通电阻，就可以得到要输出的电压。

同时将检测到的电压、电流值通过显示器LCD1062实时显示。若工作电流太大时, 过流检测电路将检测结果送至单片机, 单片机通过控制继电器切断交流支路实现过流保护, 系统在故障后通过操作设置的复位键可以使系统恢复正常工作。

单元电路功能以及工作原理的分析

1.AT89S52单片机最小系统

最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分。

2.整流电路

全波整流电路是由两个半波整流电路组成。由于加在上、下两整流管的输入交流电压极性相反，因此，达到动态平衡后，在每一个信号周期内，C1和C2经历2次充、放电过程，电流会出现两个同极性电流脉冲。因此叠加在Vo上的锯齿波状波动频率加倍，提高了滤波能力，从而减小纹波电压。

3.电源电路

源变压器采用降压变压器，将电网交流电压220V 变换成需要的交流电压。此交流电压经过整流后,可获得电子设备所需要的直流电压。

整流电路利用单相桥式整流电路,把50Hz 的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。其优点是电压较高、纹波电压较小,变压器的利用率高。本设计用桥堆RS808 做全桥整流,最大电流可达8A,配合本设计的大滤波电容,使得本电源的瞬时大电流的供电特性好、噪声小、反应速度快、输出纹波小。

4.LM2576-ADJ稳压电路

原理框图如下：

图4 LM2576-ADJ构成的DC/DC转换电路

工作原理：

假定开关晶体管、二极管均是理想元件，电感、电容是理想元件，输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。

5.输入过压保护

当输入电压在正常范围，输入采样电压小于基准电压，比较器输出低电平；

当输入过压，输入采样电压大于基准电压，比较器输出高电平，ARM产生外部中断，发出警报，封锁PWM信号，使PMOS管截止，从而保护电路损坏。

6.过流保护

通常是采用霍尔电流传感器直接检测PMOS的电流I_d，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；或者采用间接电压法，检测过流时PMOS的电压降V_sd，因为管压降含有短路电流信息，过流时V_sd增大，且基本上为线性关系，检测过流时的V_sd并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。

系统的调试

1.硬件调试

首先，分模块调试。先调试电源模块，接着调试LM2576-ADJ稳压和4067模拟开关模块，先直接用高低电平选通4067，用万用表测输出电压是否正确，正确后在用单片机控制4067，观测输出电压，用螺丝刀微调9个R2电阻值，改变R2和R1的比例制来调整输出电压。通过这些初步调试，使输出电压趋于正常。

2.整机调试

1. 输出电压最高只能到5.62v，不能再提上去。

原因：模拟开关4067的选通和工作电压太小。

解决办法：在单片机输出和4067之间接个三极管，是三极管工作在开关态，当三极管开关闭合时，4067的选通电压接大电压，这样，一旦单片机选通4067时，工作电压增大。

1. 按键按下，发现电压步进有时是0.5v，有时是1v。

原因：平时我们按键按下，会有延迟抖动效应。

解决办法：在程序里加上按键延时程序以防抖动。

1. 当单片机P1口直接输出08选通4067时，用万用表测P1口输出电平，发现全为低电平，将单片机和4067的连接线断开后，用万用表在测P1口输出电平，发现正常。

原因：52芯片是带点擦写程序完后，直接插入最小系统板进行4067的选通作用，输出电平会被拉低。

解决办法：按下52单片机的复位键即可。

参考文献

[1]Gao JiXiang. Analog electronic circuit design [M]. Beijing electronic industry press, 2007

[2] ZhouZhiGuang. Microcontroller technology and application [M]. Hunan zhongnan university press, 2005

[3] YanShi. Digital electronic technology base [M] higher education press. Beijing. 2004

[4] PengJieHua. The 'curriculum design of electronic technology [M]. Beijing guidance of higher education press, 1999

[5] HuangYouQuan. LiGuiPing. Based on the design of many Chinese characters AT89S52 display [j]. Electronic design engineering, 2008

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