基于STC单片机的直流电压电流源的设计.docx

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基于STC单片机的直流电压电流源的设计

摘要

本设计是以STC系列8位高性能单片机为控制器设计的一个实验室用的数控PWM调节方式的开关直流电压电流源，可选择工作模式（稳压模式或恒流模式）和输出电压或电流可调，具有输入欠压、过压保护，输出过流、过压保护和过热保护，可以通过键盘输入设定电压或电流的输出值，并有LED数码管显示当前状态的输出值。

电源的控制原理是由单片机产生初始的PWM控制信号，同时把标准电压的数字值送往数模转换器以产生标准参考电压；另外，通过电源输出取样模块对电源输出取样，并转换成合适的电压信号，把取样电压和参考电压输入电压比较模块得到输出电压与参考电压的误差值，电压误差值由模数转换模块反馈到单片机内部进行数据处理，由单片机对PWM信号进行修正后输出，从而达到对电源的输出控制。

为了提高电源系统的整体效率，本设计采用了有源功率因数校正的方法对电源输入功率进行优化，减少谐波电流的污染，提高电源整流器的导通整流时间，从而使电源的功率因数接近1；另外，在电源输出整流部分，采用同步整流技术，利用同步整流MOS管的低通态电阻的特性，降低大电流流过整流器时的损耗，从而提高电路整流的效率。

关键词：

开关电源（SMPS）；脉宽调制（PWM）；功率因数校正（PFC）；同步整流

BasedonSTCmonolithicintegratedcircuit'sDCvoltagecurrentsupplydesign

Abstract:

Thisgraduationproject'stopicisbasedonSTCseriesof8-bithigh-performanceMCUcontrollerdesignforalaboratorywiththeNCswitchmodeDCvoltagecurrentsource,Maychoosetheworkingpattern（constantvoltagepatternorconstantflowpattern）andtheadjustableoutputvoltageortheelectriccurrent,whichhasinputunder-voltage,over-voltageprotection,outputover-current,over-voltageprotectionandthermalprotection,andtheoutputvalueofthevoltageorcurrentcanbesetthroughthekeyboardinput.AndhastheLEDnixietubedemonstrationcurrentconditionvalueofexports.

ControlprincipleisgeneratedbytheSCMinitialPWMcontrolsignals,atthesametimethenumericalvalueofthestandardvoltagetotheDACtogenerateastandardreferencevoltage.Inaddition,thepoweroutputsamplingthroughthepoweroutputsamplingmodule,andconverttotheappropriatevoltagesignal.Thesamplingandreferencevoltageinputvoltagemodulebycomparisonwiththeerrorvalueofthereferencevoltage.ThevoltagemagnitudeoferrorfeedsbackfromA/Dconversionmoduletothemonolithicintegratedcircuitinteriorcarriesonthedataprocessing.ThePWMsignalwasrevisionbymicrocontrollerandoutput,thusachievestopowersource'soutputcontrol.

Inordertoimprovetheoverallefficiencyofpowersystem,thisdesignusestheAPFCwaytooptimizethepowersupplyinputpower，reducingharmoniccurrentpollution，enhancingthepowersourcerectifier'sbreakoverrectificationtimesothatthepowerofthepowerfactorcloseto1.Inaddition,inthepowersourceoutputrectificationpart,withthesynchronizedrectificationtechnology，andsynchronizedrectificationMOStube'slow-passconditionresistancecharacteristic，therebyreducingthelargecurrentflowthroughtherectifierlossandimprovingtheefficiencyofcircuitrectifier.

Keyword:

SwitchModePowerSupply（SMPS）;PulseWidthModulation（PWM）;PowerFactorCorrection（PFC）;synchronizedrectification（SR）

目次

1引言

在电子产品高度发达和广泛应用的今天，各种电器设备对电源性能的要求越来越高，为电器设备配备一款高性能的电源已经是必不可少的了，尤其是一款实验室用的多用途的实验电源。

电源的发展从开始到现在，经历了很长的一个发展时期，按其发展路线和趋势来看，可分为：

早期的模拟电源、过度时期的数字控控制电源和今后的数字化电源。

目前常用的直流稳压电源可分为线性电源和开关电源两大类。

线形稳压电源亦称串联调整稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但他必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整关的功率损耗较大，致使电源的体积和重量、效率低，电源输出功率一般很难做得很大。

开关电源SMPS（SwitchModePowerSupply）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源得主流产品，开关电源仍属于模拟电源。

开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达70%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。

开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究和开发高效、高密的、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定基础。

开关稳压电源（SMPS）问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。

随着超大规模集成（ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。

因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。

此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。

这一切高新的要求便促进了开关电源的不断发展和进步。

出于设计成本和技术成熟度和制造工艺的考虑，本实验电源设计采用了对开关电源检测控制数字化的方按，通过高性能数字芯片（MCU）对电源实现直接控制的方案。

数字芯片完成信号采样、处理和PWM输出等工作。

由于数字PWM输出的信号功率不足以驱动开关管和数字控制部分与电源部分分别有各自不同的参考地，所以还需通过一个由高速光电耦合器组成的驱动电路来驱动开关管，即数字控制器与功率级之间的接口由功率MOSFET驱动器提供。

由于这些数字芯片有较高的取样速度和指令周期，输出高频的PWM信号，过流检测和在很短的时间内关闭电源，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，使设计具备较高的动态性能和稳压精度。

1.1开关电源（SMPS）的三个重要发展阶段

40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段。

第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（BPT、SCR、GT0）发展为MOS型器件（功率MOS-FET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。

高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

1.2模拟电源的优势与不足

为什么选择开关电源？

绝大部分的电气直流负载由标准电源供电。

但是，标准电源的电压可能不符合微处理器、电机、LED或其他负载的电压要求，尤其当标准电源本身的输出电压并不稳定时。

电池供电设备就是一个最好的例子：

标准的Li+电池或NiMH电池组的典型电压对于大多数应用而言，不是过高就是过低，或者随着放电过程电压下降的过多。

开关电源的优点：

1）通用性：

SMPS的通用性帮我们解决了这一难题，它将标准电源电压转换成合适的、符合规定的电源电压。

SMPS拓扑结构有很多，但可以划分为几种基本的类型，不同类型的转换器可以对输入电压实现升压、降压、反转以及升/降压变换。

与线性稳压器只能对输入电压进行降压不同的是，可以选择不同拓扑的SMPS来满足任何输出电压的需求，这也正是SMPS极具吸引力的原因。

2）可定制：

先进的SMPSIC的设计提供了不同的集成度，将经过裁剪的标准SMPS电路集成到单片IC，允许设计人员在不同规模的拓扑中进行选择。

由此减轻厂商对通用电源或特殊应用电源的设计负担，并可根据项目需要为工程师提供定制的SMPSIC，从而进一步提高了这类器件的灵活多用性。

3）效率：

根据SMPS的工作原理，在不同负载和电压下，一个设计良好的SMPS效率可达90%甚至更高。

这相比线性稳压器，效率提高了40%。

通过直观的比较，降压式SMPS的优势便体现出来了，其他的SMPS拓扑结构同样具有相近或是更高的效率。

SMPS设计不仅仅具有高效率这一主要优势，由于功耗的降低还带来许多直接的好处。

例如，与低效率的竞争产品相比，SMPS的散热片面积大大减小。

降低了对热管理的要求；而且更重要的是，由于器件不会工作在低效的高温环境中，大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命。

尽管模拟开关电源解决方案的成本、性能（如负载变化时的电源响应时间）、占板面积等指标都优于当前的数字电源解决方案，但对开发人员来说，它完全是一种固定模式的黑盒应用，抑制了开发人员发挥创造力的激情。

对电源进行同步跟踪、电压排序、故障诊断及适应环境变化的能力还是比较差的。

目前，许多高性能的DC/DC转换器仍通过简单的无源器件产生的模拟信号进行设置和控制。

即使是具有最先进拓扑结构的高性能转换器，也还需要使用外部电阻、电容来确定诸如启动时间、输出点值及开关频率等参数。

这些电阻、电容的值都是设计调试时确定的，制造完成后不可轻易更改，因此自适应的电源管理方案也就不可能实现。

而且，为实现更多功能，就要设计更多的直接反馈电路，所以模拟控制环路会变得非常复杂。

传统的模拟控制架构已经使用多年，但仍有不少缺陷。

举例来说，模拟控制电路因为使用许多元器件而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，从而对系统稳定性和响应能力造成负面影响。

模拟控制的控制-响应特性是由分立元器件的值决定的，它总是面向一个范围狭窄的特定负载，因此无法为所有电压值或负载点提供最优化的控制响应。

换句话说，如果你需要一个可以在很多产品中重复使用而不必更换部件的设计平台，则模拟方案难以胜任。

除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。

1.3数字电源的实现与进展

数字电源有几种不同的含意，实现方式也各不相同。

最简单的是数字检测，包括监视开关电源的状态，如温度、输入/出电流、输入/出电压、开关频率（占空比）等，并根据需求向主机报告。

故障状态信息甚至时间标记等信息可以存储在非易失性存储器中，并在将来某个时间上报这些信息。

第二个定义是在“数字检测”的基础上通过数字接口控制开关电源，一般是通过数字总线控制输出电压、开关频率、多通道电源的（上/下电）排序、上升斜率、跟踪、（软）启动、裕度控制、故障保护等等。

实际上，目前市场上的很多电源管理集成电路都以这种方式工作。

第三个定义是用数字电路彻底取代开关电源中的所有模拟电路，这是真正的原生数字电源。

只须编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、反激式或正激式转换器，这样将使开关电源更容易设计、配置而且更稳定。

但要实现这点从目前看来是相当困难的，因为从物理定律上来说，电流是模拟信号，即使用ADC和DSP取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关电源也仍然需要电压基准、电流检测电路和FET驱动器，这些组件目前只有模拟形式的产品。

此外，电感器、变压器以及电容器等模拟元器件在实现数字电源时也是不能没有的。

2主要器件及开发环境

2.1主要器件介绍

2.1.1主控单片机

综合整个系统的功能和各种控制之间的关系。

本设计选择了宏晶科技的STC系列的12C5410AD单片机，该型号单片机为8051单片机的改进增强型，为1时钟/机器周期的8051单片机，其最快速度是普通8051的12倍，并且其内部集成了高精度的8路高速10位ADC转换器和4路8位的PWM，内部集成MAX810专用复位电路，有速度快、低功耗、超强的抗干扰能力等特点，其指令代码完全兼容传统的8051指令系统。

STC12C5410AD单片机主要特性如下：

1）高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8~12倍；

2）宽电压：

5.5~3.8V工作电压；

3）低功耗设计：

空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）；

4）工作频率：

0~35MHz，相当于普通8051：

0~420MHz;

5）时钟：

外部晶体或内部RC振荡可选，在ISP下载编程用户程序时设置；

6）10KB片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上；

7）512B片内RAM数据存储器；

8）ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器；

9）8通道10位ADC，4路PWM还可以当4路D/A使用；

10）4通道（PWM/PCA/CCU）；

11）两个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器；

12）硬件看门狗（WDT）；

13）高速SPI通信端口；

14）全双工异步串行口（UART）；

15）23个通用I/O口。

2.1.2功率因数校正管理IC

L6561是SGS-Thomson公司的一款高性能高效率的小功率电源功率因数校正管理控制芯片，L6561是标准电源功率因数校正器L6560的改良版本，与标准版本完全兼容，它内置一个高性能高精度的乘法器，使器件能够工作在极宽的输入电压范围内（85V~265V）并有出色的总谐波失真，它采用了简单的DIP8/SO8封装，大大简化了外围电路的设计难度，很适合用于设计较小功率的开关电源，其具体功能和特点如下：

1）非常精确的可调输出过压保护

2）超低的启动电流（50uA）和工作电流（4mA）

3）内置启动定时期

4）内置电流感应滤波器

5）芯片使能功能

6）内置1%高精度的电压比较器

7）工作在不连续电流模式

8）图腾柱输出电流达±400mA

L6561内部结构图：

图1L6561内部结构图

其应用电路图如下：

图2L6561应用电路图

2.2设计开发环境

2.2.1硬件开发环境

电源的硬件开发环境为ProtelDXP开发软件，ProtelDXP是Altium公司开发的第一套完整的板卡级设计系统，比早期的Protel各版本都有根本性的改善，真正实现在单个应用程序中的集成。

设计从一开始的目的就是为了支持整个设计过程，ProtelDXP让你可以选择最适当的设计途径来按你想要的方式工作。

ProtelDXPPCB线路图设计系统完全利用了WindowsXP和Windows2000平台的优势，具有改进的稳定性、增强的图形功能和超强的用户界面。

ProtelDXP是一个单个的应用程序，能够提供从概念到完成板卡设计项目的所有功能要求，其集成程度在PCB设计行业中前所未见。

ProtelDXP采用一种新的方法来进行板卡设计，使你能够享受极大的自由，从而能够使你在设计的不同阶段随意转换，按你正常的设计流量进行工作。

相对于以前版本，ProtelDXP的PCB设计功能更加强大，它采用了改进型SitusTopologicalAutorouting布线规则。

这种改进型的布线规则以及内部算法的优化都大大的提高了布线的成功率和准确率。

这也在某种程度上减轻了工程师们的负担。

Protel2004中的高速电路规则也很实用，它能限制平行走线的长度，并可以实现高速电路中所要求的网络匹配长度的问题，这些都能让您设计高速电路也变的无比的容易。

同时如果您需要进行多层板设计，您只需在层管理器中进行相关的设置即可，Protel2004共可进行74个板层设计。

您还可以在设计规则中制定每个板层的走线规则，包括最短走线，水平，垂直等等。

在使用过程中我发现，只要布局适当，进行完全自动布线一次性成功率很高，而且布线完成后需要修改的地方也比较少，只是有几根走直角的线需要修改（走出直角与您的DRC－设计规则设置有关）。

多次布线也不会发现短路或是网络混乱问题。

在自动布线这点上Protel2004做的可以说是堪称完美了。

2.2.2软件开发环境

单片机的开发语言主要有汇编语言和C语言，很多人认为汇编语言易学易用，因为没有太多的语法。

但是对于一个较大规模的软件系统使用汇编语言开发将遇到很大的困难。

开发周期长、代码可读性差、不易维护，其通用性不强，代码可移植性差。

而C语言就克服了汇编语言的很多缺点，和汇编语言相比具有以下几个显著的优点：

1）C语言是一种结构化的编程语言，可以减轻程序员的负担，让程序员把更多的精力放在功能的实现上；

2）代码的可读性好、容易理解、结构清晰、易于维护；

3）可移植性好，因为C语言不依赖于任何一种硬件系统。

鉴于以上几点，本系统的软件部分全部采用C语言来编写。

并且使用KeilC51编译器可以产生高效、紧凑的代码，执行效率毫不逊色于使用汇编语言编写的程序。

3电源系统总体设计

3.1系统功能模块的划分

按照设计要求，本电源系统按其各部分功能可分为：

输入级功率因数调整模块、DC/DC变换模块、输出级同步整流模块和单片机系统控制模块。

输入级功率因数调整模块主要更能是提高系统从市电输入端到DC/DC输入端之间的功率因数，也就是这段线路的传输效率，减少电网谐波电流对电源系统的影响，提高输入整流二极管的导通时间。

DC/DC模块采用低导通沟道电阻的功率MOSFET管为开关管，采用单管开关方式控制反激式高频开关变压器对整流后的直流电压进行降压变换隔离。

输出级整流模块为了降低整流器对大电流整流时的损耗，提高输出级整流的效率，采用了同步整流技术，利用同步整流MOS管的低导通沟道电阻，减少大电流流过整流管时的功率损耗。

单片机系统控制模块，采用多功能高性能单片机产生标准参考电压，通过与采样电压的比较得到误差电压值，由ADC模块输入单片机系统，形成了电源的输出反馈，由单片机程序控制调整输出PWM信号控制开关管，从而实现输出电压或电流控制的目的。

另外，在电源输出安全监控方面，由电源过压检测电路实时检测并将检测结果送单片机作安全应急处理，关断电源输出。

3.2系统原理结构

图3电源系统结构全图

4模块详细设计

4.1PFC功率因数校正

传统的用于电子设备前端的二极管整流器，因为导致电源线的脉冲电流，干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降。

近几年来，为了符合国际电工委员会61000-3-2的谐波准则，功率因数校正电路正越来越引起人们的注意。

功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路；从传统的线性控制方法到非线性控制方法，新的拓扑和技术不断涌现。

本文归纳和总结了有源功率因数校正的分类和发展趋势。

功率因数校正电路（PFC）分为有源和无源两种。

无源校正电路通常由大容量的电感、电容和工作于工频电源的整流器组成。

虽然采用无源功率因数校正技术得到的功率因数不如有源校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到0.7~0.8，因而这种技术在中小功率电源中被广泛采用。

4.1.1有源功率因数校正方法分类

按有源功率因数校正拓扑分：

1）降压式：

因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。

2）升/降压式：

需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。

3）反激式：

输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。

4）升压式（Boost）：

简单电流型控制，PF值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。

适用于75W~2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。

它具有以下优点：

电路中的电感L适用于电流型控制；由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；当输入电流连续，易于EMI滤波；升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。

按输入电流的控制原理分：

1）平均电流型：

工作频率固定，输入电流连续（CCM）。

TI的UC3854就工作在平均电流控制方式。

这种控制方式的优点是：

a恒频控制。

b工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。

c能抑制开关噪声。

d输入电流波形失真小。

主要缺点是：

控制电路复杂，需用乘法器和除法器，需检测电感电流，需电流控制环路。

2）滞后电流型：

工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。

电流波形平均值取决于电感输入电流。

3）峰值电流型：

工作频率变化，电流不连续（DCM）。

DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点：

功率因数和输入电压Vin与输出电压VO的比值有关。

即当Vin变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随输入电压Vin与输出电压VO的比值的加大而THD变大。

开关管的峰值电流大（在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的两倍），从而导致开关管损耗增加。

所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。

4）电压控制型：