基于ATmega128 單片機(jī)的自動(dòng)投切開關(guān)電源設(shè)計(jì)

模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展，使整個(gè)電源體積重量下降，模塊中半導(dǎo)體器件的電流應(yīng)力小，提高了系統(tǒng)的可靠性。本研究的開關(guān)電源在帶小負(fù)載時(shí)為單電源供電，帶大負(fù)載時(shí)(電流超過1.7A)自動(dòng)投切為雙電源并聯(lián)供電，采用外特性下垂方法實(shí)現(xiàn)各電源均流，增強(qiáng)了開關(guān)電源的帶負(fù)載能力和提高電源的供電效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 DC-DC 變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)選擇了升壓斬波電路， 其電路原理圖如圖1所示。選擇升壓軌波電路作為DC -DC 變換的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 升壓斬波電路原理

1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

本設(shè)計(jì)采用雙端驅(qū)動(dòng)集成芯片TL494 輸出PWM 脈沖控制主開關(guān)的導(dǎo)通來控制電壓輸出，以ATmega128 單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)大電流時(shí)自動(dòng)由單電源供電投切到雙電源并聯(lián)均流供電，增強(qiáng)了開關(guān)電源的帶負(fù)載能力和提高電源的供電效率。系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)，PWM 控制芯片TL494, 開關(guān)電源升壓主電路，電流檢測(cè)回路，D/A 轉(zhuǎn)換電路組成。系統(tǒng)輸出直流電壓18~45V 可調(diào)，可通過鍵盤設(shè)定調(diào)整，最大輸出電流達(dá)到4A,能對(duì)輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測(cè)量和顯示，具有調(diào)節(jié)速度快、電壓調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、效率高，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

綜合方案比較， 最終選擇以ATmega128 為主控芯片，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后提供參考電壓，與輸出反饋電壓進(jìn)行比較，使TL494產(chǎn)生相應(yīng)PWM 方波， 采用圖騰柱驅(qū)動(dòng)對(duì)Boost 升壓電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。利用INA169 進(jìn)行電流采樣、光耦和IRF9540 組成自動(dòng)投切電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 理論分析與計(jì)算

2.1 儲(chǔ)能元件電感的選擇

計(jì)算出正確的電感值對(duì)選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。本設(shè)計(jì)采用的電感是鐵硅鋁雙線繞電感，它的磁芯損耗遠(yuǎn)低于鐵粉芯及高磁通，具有低磁致伸縮(低噪音)的特點(diǎn)，是低成本的儲(chǔ)能材料，在高溫下性能穩(wěn)定。

2.2 開關(guān)管的選擇

本課題設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用MOSFET 的型號(hào)是IRF540,使用溝渠工藝封裝的N 通道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管，常用于DC 到DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源、電視及電腦顯示器電源等領(lǐng)域中，具有低導(dǎo)通內(nèi)阻、快速開關(guān)、低熱敏電阻等顯著優(yōu)點(diǎn)，其漏源電壓V_DSS 最大可達(dá)100V, 導(dǎo)通電流I_D 最大可達(dá)23A, 其導(dǎo)通電阻R_DS(on)<77mΩ，允許最大管耗PCM 可達(dá)50W,滿足電路要求。

2.3 續(xù)流二極管的選擇

開關(guān)電源輸出整流二極管通常采用肖特基二極管或者快速恢復(fù)二極管。因?yàn)樗驂航档?，又幾乎沒有反向恢復(fù)時(shí)間，所以在本設(shè)計(jì)中選用的整流二極管是SS35,是低功耗肖特基二極管，其反向電壓達(dá)到50V,正向壓降只有0.6V 左右，具有高浪涌電流能力。

2.4 PWM 脈寬調(diào)制電路

PWM 控制器電路其核心采用專用集成芯片TL494,通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，不但可以產(chǎn)生PWM 信號(hào)輸出，而且還有多種保護(hù)功能。TL494 含有振蕩器、誤差放大器、PWM 比較器及輸出級(jí)電路等部分。本設(shè)計(jì)外接電路如圖3 所示。

圖3 TL494 外接電路

TL494 引腳1、2 腳是誤差放大器1 的同相和反相輸入端，1接輸出電壓反饋端IN1,引腳2 接D/A 端口，反饋信號(hào)與預(yù)設(shè)信號(hào)經(jīng)誤差放大器進(jìn)行比較放大，控制脈沖寬度，由8 腳輸出，再經(jīng)圖騰柱電路，控制開關(guān)管IRF540 導(dǎo)通。為保護(hù)TL494 的輸出三極管，經(jīng)R30 和R31 分壓，在4 腳加接近0.3V 的間歇調(diào)整電壓，整機(jī)電源取16V 單電源。

2.5 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)中開關(guān)管選用N 溝道MOSFET 型號(hào)為IRF540N,其開啟電壓為2~4V.但為了保證它的充分導(dǎo)通，一般要提供10V左右的柵極電壓。為此，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)簡單可靠、成本低廉的圖騰柱電路作為MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路(如圖4 所示)。PWM 信號(hào)經(jīng)過第一個(gè)三極管9014 放大，再經(jīng)后級(jí)NPN 型三極管9014和PNP 型三極管9015 組成的互補(bǔ)電路保持后可給MOS 管的柵極G 極提供11V 左右電壓。該電路在開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷期間有較好的性能： 能快速可靠開通， 且不存在上升沿的高頻振蕩;在關(guān)斷瞬間，驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放。該電路輸入和輸出剛好反向。即當(dāng)PWM 為低電平時(shí)，柵極得到高電壓，MOS 管充分導(dǎo)通; 當(dāng)PWM 為高電平時(shí)，柵極電壓幾乎為0,MOS管關(guān)斷。

圖4 圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路

2.6 電源投切開關(guān)電路

電路如圖5 所示，Q5 型號(hào)為IRF9540, 是P 溝道MOSFET,U2 為光耦，型號(hào)為P521.當(dāng)光耦不工作時(shí)，Q5 的源極電位比柵極電位高，Q5 導(dǎo)通，電源導(dǎo)通;當(dāng)光耦工作時(shí)，源極的電位拉到了柵極，Q5 截止，電源截止。光耦不僅起到開關(guān)的作用，而且其光電隔離的特性能夠很好地保護(hù)單片機(jī)的IO 端口。[!--empirenews.page--]

圖5 投切開關(guān)電路

3 軟件設(shè)計(jì)及其功能

ATmega128單片機(jī)能夠根據(jù)鍵盤的輸入值而輸送不同的D/A 值給TL494 控制芯片，以實(shí)現(xiàn)鍵盤控制電源系統(tǒng)輸出電壓的大小; 對(duì)輸出電流進(jìn)行A/D 采集，并且能夠根據(jù)電流的大小判斷是否投切為雙電源供電和顯示相應(yīng)的工作狀態(tài); 在液晶5110上顯示輸出電壓和輸出電流。具體軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試及分析

測(cè)試電路接法如圖7 所示。

圖7 測(cè)試電路圖

4.1 效率及負(fù)載調(diào)整率測(cè)試(單電源供電)

當(dāng)Uin=16V 時(shí)， 改變負(fù)載， 測(cè)量輸出電流Io,輸出電壓Uo,輸入電流Iin,輸入電壓Uin.計(jì)算其效率η，負(fù)載調(diào)整率SI.

由表1 數(shù)據(jù)可以計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率為：SI =(20.00-19.27)/20.00*100%=2.65%, 電源具有比較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，最大電流接近2A,具有比較高的轉(zhuǎn)換效率，平均效率達(dá)到84.34%.

表1 效率及負(fù)載調(diào)整率測(cè)試(單電源)

4.2 雙電源供電效率測(cè)試(負(fù)載10Ω)

由表2 的數(shù)據(jù)可以看出，并聯(lián)供電時(shí)電源的轉(zhuǎn)換效率得到了明顯的提高，功率也達(dá)到了92W,大大地提高了電源的供電能力。

表2 雙電源供電效率測(cè)試(負(fù)載10Ω)