智能化低压大电流开关电源的研制

摘要：介绍了应用于阴极保护系统中作为恒电位仪的智能化低压大电流开关电源的研制。给出了设计步骤及实验结果。 叙词：开关电源 IGBT 逆变 高频变压器 液晶显示 Abstract：Introduced the development of the intelligentized power supply with low voltage and great current that applied in cathode-protect system as constant voltage instrument。Presented　the steps of the design and the result of the experiment。 Keyword：power supply IGBT inversion high frequency transformer lcd

1　引 言

随着现代电力电子器件的飞速发展，高频开关电源以其效率高、体积小的优点，应用越来越广泛。该论文介绍了开关电源研制的全过程。系统主电路包括单相输入整流、半桥逆变、高频交流输出、输出整流几部分。控制电路部分包括主电路开关管控制脉冲的产生和单片机智能化控制两个部分。单片机智能化控制系统包括模数转换、数据处理、液晶显示、微型打印机、串行通讯、时钟芯片等几部分。单片机控制系统实现的液晶显示、微型打印机的各种打印功能使得整个系统的工作更加直观、方便。

系统的整体设计结构：

2　主电路设计

开关电源的拓扑结构很多，考虑到我们要做的电源功率不是很大，且考虑成本问题，选用主电路拓扑结构为半桥式逆变电路。而且，由于电容的隔直流作用，半桥式电路对由于两个开关管导通时间不对称造成的变压器一次电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。
 

目前，虽然软开关技术成为研究的热点，但是基于现阶段的实际情况及实验室现有试验条件，还是选择硬开关电路比较合理。

该论文所研制开关电源的主电路结构设计如下：

图2　 主电路整体结构图

如图所示，电网220V交流电输入以后，经过整流桥全桥整流，然后经过滤波电容滤波后供给半桥式的逆变电路进行逆变，得到高频的交流脉冲电压，然后经过高频变压器输出（通过变压器抽头变化，实现两档输出），再经过桥式整流电路整流、LC滤波电路滤波，最后输出到负载。

3　控制电路

整个控制电路板的组成包括工作电源的提供、EXB841驱动芯片及外围电路、SG3525集成PWM控制器及外围电路、AVR单片机及外围电路、和主电路接口、液晶显示模块接口、打印机接口几个部分。

设计控制板结构框图如下：

 

图3　检测、控制板框图

控制板的整个工作过程：

220v交流电经过电源变压器输入到控制板上，经过整流稳压输出，提供板子上各部分的工作电源，包括EXB841工作用20v电源、单片机工作用5v电源、电流检测用正负15v电源。这是提供工作电源部分完成的工作。

EXB841及其外围电路部分，是将SG3525产生的PWM脉冲转换为直接驱动IGBT的控制脉冲。EXB841是开关器件IGBT专用的驱动芯片。

SG3525及其外围电路部分是根据电压反馈完成PWM脉冲的产生。它是电压型PWM集成控制芯片。SG3525内部集成有一个欠压封锁单元、一个参考电源稳压器、一个振荡器OSC、一个触发器、一个比较器、一个PWM锁存器、一个误差放大器、两个功率开关管、两个或非门、两个互补输出功率放大MOSFET，共10部分电路。主要设计特点为：采用CMOS工艺制作，低功耗;极低的工作电源电流;逐脉冲封锁功能;内含独立双推挽输出通道;可单端输出，亦可双通道输出工作;参考电压精度高达1%;具有三态同步引脚，特别适用于并联工作;具有欠电压滞后关断功能;可外接电容，实现软启动;脉冲上升下降响应时间仅为50ns;封锁延迟仅为140ns;内部集成有低压输入保护环节。

和主电路接口指的是电压检测和电流检测部分以及EXB841的输出脉冲和逆变电路的连接。我们在实验过程中采用霍尔元件进行电流检测、用分压电阻进行电压直接检测，并将检测到的数值直接作为单片机模数转换的输入。

AVR单片机及其外围电路，完成整个系统的检测、显示、打印功能，使得设计的开关电源实现人机对话智能化。整个系统采用液晶显示模块来随时显示电路的工作状态，用微型打印机实现上电打印、即时打印、故障打印及报表打印等功能。

4　单片机控制系统

1)单片机控制系统的硬件设计

单片机系统完成对整个电源的工作参数的检测、显示、打印，故障报警，并对主回路进行自动控制。

检测部分包括两路模拟转换，实现对实际电源正常工作电压电流的检测。采用单片机内部的模数转换实现。电流检测通过霍尔元件、电压检测通过分压电阻将电路的实际工作状态的电流电压值作为AVR单片机模数转换的输入。

显示部分采用EDM12232液晶显示模块。实现电压电流数值的显示，以及电压电流超出时的报警。液晶显示模块和单片机之间是并行通讯。

打印部分选用了TP UP-AN系列的智能微型打印机，在单片机的控制下，实现报表打印、即时打印、故障打印、上电打印四种动作。采用时钟芯片DS1302生成实时时钟、日历。

打印机和单片机之间采用串行通讯，占用AVR本身的URAT串行口。时钟芯片DS1302则用普通IO口作为串行口和单片机之间实现串行通讯。

单片机外围电路设计如下：

 

图4　 单片机外围电路

2)单片机控制系统的软件设计

单片机控制系统的软件程序设计包括“模数转换”“液显初始化”“上电打印”“时间日期”“液晶显示”“电压超出”“电流超出”“即时打印”“故障打印”“报表打印”几个子程序。其中上电后先调用“液显初始化”“时间日期”“上电打印”三个子程序。“即时打印”“报表打印”是外部中断执行。“电压超出”“电流超出”“故障打印”是故障发生时自动打印。

“模数转换”完成两路模拟信号即电压电流的转换，“液显初始化”可以显示

“电压：　.　 v

电流：　.　 A”。

“上电打印”完成微型打印机打印出“××年××月××日××时××分××秒 上电”

“时间日期”完成读取当前的时间日期，为上电打印作准备，并把上电工作的起始时间存放。

“液晶显示”完成“电压：**.** V

电流：**.** A”

“电压超出”完成液晶模块显示“电压超出!!”

“电流超出”完成液晶模块显示“电流超出!!”

“即时打印”完成微型打印机打印“××年××月××日××时××分××秒

电压：××.××V　电流：××.××A”

“报表打印”完成微型打印机打印

时间　　 电压(单位：v)　电流(单位： a)

×××　　××.××　　　　××.××

×××　　××.××　　　 ××.××

....　　　　 .....　　　　　　......

“故障打印v”完成微型打印机打印“××年××月××日××时××分××秒 电压超出”

“故障打印a”完成微型打印机打印“××年××月××日××时××分××秒 电流超出”

主程序按照上面思路编写的，这里省略了主程序流程图。

4　结 论

该论文所有实验,包括电路和程序都已经调试完毕，实现了如下技术指标：

1)给定电压范围0-4V连续可调

2)输出功率：当输出电压为0-60V时，输出电流为0-30A;当输出电压为0-30V时，输出电流为0-60A。两种工作状态可以通过变换变压器抽头来互相转换。

3)当仪器上电后，微型打印机可以上电打印其工作起始时间、即时打印工作情况。另外通过按钮可以实现故障打印及报表打印;液晶显示可以正常显示工作情况，包括正常电压电流值 以及报警显示。

4)仪器工作电压：交流50HZ、单相220V±10%

5)工作环境温度：-10℃±40℃、自然空气冷却