單片機加PWM芯片的開關電源設計方法
隨著各種電器和儀表設備的日漸豐富，對電源應用的靈活性提出了更高的要求。設計一款使用靈活、方便且價格相對便宜的通用電源，正越來越成為市場所需。現代單片機正朝著處理速度越來越快，外設資源越來越豐富，價格越來越便宜的方向發展，將單片機融入電源的設計中可以極大地提升電源的性能和靈活性。本文介紹了一種單片機加PWM芯片的開關電源設計方法，既可以保留PWM芯片帶來的穩定工作性能，又可以利用單片機的控制能力提供各種人機交互和通信接口。筆者設計的電源作為通用電源使用，可以提供靈活可編程的電壓電流輸出，另外還可以設置成鉛酸電池充電器的模式，具有廣闊的應用前景。
1 系統功能
通過對電源的編程，可以方便地實現圖1所示的電壓輸出波形。其中，V1、V2、T1、T2、dv、dt都是可以通過編程來設定的。電壓值的輸出范圍為0～16V，最大輸出電流為10 A。輸出電壓精度為0.1 V，電流精度為10mA。電流的設定值指的是允許輸出的最大電流，也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。
圖1 編程輸出電壓波形
另外，電源也可以工作在鉛酸電池充電器的模式(簡稱“LBC模式”)。根據鉛酸電池的特性，當電源工作在LBC模式時，電源首先將輸出較大的充電電壓和電流V1/I1，至少維持10s;當充電電流降到小于設定值I2時，電源輸出較小的充電電壓和電流V2/I2。如果到了設定時間T1，充電電流還未降到I2以下，這時電源輸出也會降為V2/I2。當輸出電流再次大于I2時，電源將再次輸出V1/I1充電。其中，V2設定值必須小于14V。若設置為大于14 V，電源會自動將其設成14 V。I2的值必須大于1/8I1，否則將被自動設成1/8I1。LBC模式如圖2所示。
圖2 LBC模式
用戶可以通過3種方式對電源進行輸出設定：
① 通過電源面板上按鍵編程。通過按鍵對輸出電壓、電流限流值、時間等量進行設定。
② 通過PC機串口編程。通過將PC機的串口RS232與電源串口相連，再運行PC機上一串口通信的軟件對電源進行編程。
③ 電源間相互編程。通過將兩臺電源的串口相連，操作其中一臺電源面板上的按鍵來對另一臺進行編程。操作的一臺電源叫做“主電源”，被編程的電源叫做“從電源”。在這種編程方式中，只能將從電源的參數設置為與主電源完全一致，而不能對各個參數進行單獨設定。一臺電源只能提供100W的功率。這種方式可以應用在需要較大功率的場合，可將兩臺或多臺具有相同設置的電源輸出并聯來方便地實現功率擴展。
2 工作原理
用單片機來控制開關電源，總的來說可以分為兩種：
第一種是單片機通過輸出PWM或DA給電源電路提供一個基準電壓，單片機本身不介入電源的反饋中(本設計所采用的就是這種方式);第二種為通過單片機輸出的PWM信號直接控制開關管工作，取代PWM芯片，但這種方式對單片機的要求較高，需要具有相當高的時鐘頻率才能滿足對輸出PWM頻率和分辨率的要求。
系統按模塊來分可以分成兩大模塊：
電源模塊和單片機控制模塊。電源模塊是以PWM芯片為核心的AC—DC變換器，PWM芯片采用安森美半導體的電流型PWM控制器NCP1200作為控制芯片。單片機控制模塊采用美國微芯公司的PIC16F874作為微控制器，主要實現電流電壓信號的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個模塊的關系可以用圖3來說明。
圖3 工作原理
圖3中，電網電壓經整流濾波后供給高頻變換電路，由高頻變換電路產生輸出。單片機輸出兩路PWM信號，給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值，電源模塊按照單片機提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機采樣輸出電壓和電流進行顯示，但這里單片機并不參與系統的反饋，反饋通過電源模塊來實現(在后面的部分中會詳細講到)。
3 硬件設計
4 軟件設計
4.1 軟件流程
軟件用C語言編寫，使用HighTech公司為PIC系列單片機提供的PICC編譯器。系統上電時，單片機讀出非易失性存儲器(EEPROM)中上次設置參數，進行電流電壓輸出。在軟件設計中，采用多個任務的概念，可以模擬一個簡單的操作系統進行任務的調度。由定時器產生一個5ms的中斷，在中斷程序中激活各個任務的標志。如顯示任務主要負責A/D采樣、數碼管與LED的刷新，可每5ms執行一次。鍵盤處理任務負責按鍵的掃描、軟件去抖、鍵盤命令的解釋和掃行，可每10ms執行一次。PWM輸出任務負責按照設定的值進行PWM的輸出，可以每50ms執行一次。如果有PC機或其他電源通過串口編程，單片機將在UART中斷中接收編程數據，接收完改寫EEPROM中設置并強行復位。如果接收到通過按鍵的編程，則在按鍵處理中修改EEPROM的設置并復位。程序主流程則掃描各個任務是否到時間執行。是，則執行該任務;否則，跳過該任務。主程序流程如圖7所示。
圖7 主程序流程
4.2 串口編程軟件
在PC機上設計了軟件來實現PC機與單片機的通信。通過該軟件可以方便地實現對電源電流電壓輸出、定時等參數的設定。只要將電源上的RS232口與PC機串口相連，就可實現通信。
利用Visual Basic中的Mscomm控件進行串口通信軟件的設計(這里僅作簡要的介紹)。PC端數據接收通過Oncomm事件來實現，當接收緩沖區的數據達到rthreshold屬性設定值時，就會觸發Oncomm事件，在中斷程序中讀出接收緩沖區中的數據，將收到的字符型數據轉換成字符串后便送到各個文本框顯示。數據發送時，首先讀出文本框內字符串，再將其轉換成字符型數據，最后通過單擊“發送”按鈕，將數據送到發送緩沖區中，從而將數據從串口發送出去。
結語
采用單片機控制，克服了開關電源單一輸出的缺點，能夠提供靈活的電壓輸出。通過功率聯合擴展的功能，可以滿足不同功率場合的要求。電源也可以被當成鉛酸電池充電器來使用，能自動調整充電電流和電壓，應用場合非常廣泛。
3.1 電源模塊電路
NCP1200是安森美半導體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應用電路只需要使用很少的外圍元件，使設計更加緊湊。另外，芯片內集成輸出短路的保護電路，使成本可以進一步降低。
圖4是以NCP1200為控制芯片的電源電路的結構。從圖中可以看到，電源模塊中有兩種反饋類型。第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設定值進行比較，通過光耦來控制NCP1200芯片FB腳的電壓，調整DRV腳輸出PWM的脈寬來控制場效應管的導通和關斷時間，從而達到調整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當采樣到的輸出電流值ISS超過單片機提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導通，將FB腳電壓拉低，使得NCP1200輸出PWM脈寬減小，從而達到限流的目的。當輸出電流小于單片機提供的限流值時，限流反饋不起作用。
圖4 電源模塊電路結構
圖中的輔助電源提供+12 V的電壓，另經三端穩壓器件KA7805(圖中未畫出)產生+5V的電壓，給比較器和單片機控制模塊提供電源。
3.2 單片機控制電路
PIC16F874是美國微芯科技公司(Microchip Technology)的一款8位單片機，內置4K×14位的Flash、128字節的RAM和64字節的EEPROM。另外,它具有豐富的外設資源，其內置1個UART模塊可供串口通信用，2個*模塊可以產生2路獨立、10位分辨率的PWM信號，8路10位的A/D轉換通道。另外，PIC系列單片機的每個I/O能提供25mA的驅動電流，對于LED的接口電路可以省掉外加晶體管的驅動電路。
單片機控制模塊結構框圖如圖5所示。
圖5 單片機控制模塊結構框圖
單片機控制系統的主要接口電路：
① 按鍵接口電路。采用暫觸式開關輸入，使用電阻電容去抖。
② 數碼管及LED顯示電路。數碼管顯示電壓、電流、時間等信息。LED指示當前顯示的參數種類。PIC單片機的I/O能夠直接驅動數碼管和LED。按鍵輸入和顯示接口電路如圖6所示。
圖6 按鍵輸入和顯示接口電路
③ A/D采樣和PWM輸出電路。A/D負責采樣輸出電壓電流并送到數碼管顯示。當前電流電壓設定值通過由單片機內部的*模塊產生的兩路PWM信號來給電源模塊提供一個參考值。單片機內部的*模塊可以設置成PWM輸出模式,通過寫周期寄存器和脈寬寄存器的值就可由硬件產生不同頻率和占空比的PWM波形。
④串口通信接口電路。串口通信接口電路采用MAX232芯片作為RS232收發器。
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