智能化低壓大電流開關(guān)電源的研制

摘要：介紹了應(yīng)用于陰極保護(hù)系統(tǒng)中作為恒電位儀的智能化低壓大電流開關(guān)電源的研制。給出了設(shè)計(jì)步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 敘詞：開關(guān)電源 IGBT 逆變 高頻變壓器 液晶顯示 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

隨著現(xiàn)代電力電子器件的飛速發(fā)展，高頻開關(guān)電源以其效率高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。該論文介紹了開關(guān)電源研制的全過程。系統(tǒng)主電路包括單相輸入整流、半橋逆變、高頻交流輸出、輸出整流幾部分。控制電路部分包括主電路開關(guān)管控制脈沖的產(chǎn)生和單片機(jī)智能化控制兩個(gè)部分。單片機(jī)智能化控制系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、微型打印機(jī)、串行通訊、時(shí)鐘芯片等幾部分。單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的液晶顯示、微型打印機(jī)的各種打印功能使得整個(gè)系統(tǒng)的工作更加直觀、方便。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：

2　主電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，考慮到我們要做的電源功率不是很大，且考慮成本問題，選用主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為半橋式逆變電路。而且，由于電容的隔直流作用，半橋式電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱造成的變壓器一次電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。
 

目前，雖然軟開關(guān)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，但是基于現(xiàn)階段的實(shí)際情況及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有試驗(yàn)條件，還是選擇硬開關(guān)電路比較合理。

該論文所研制開關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

圖2　 主電路整體結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，電網(wǎng)220V交流電輸入以后，經(jīng)過整流橋全橋整流，然后經(jīng)過濾波電容濾波后供給半橋式的逆變電路進(jìn)行逆變，得到高頻的交流脈沖電壓，然后經(jīng)過高頻變壓器輸出（通過變壓器抽頭變化，實(shí)現(xiàn)兩檔輸出），再經(jīng)過橋式整流電路整流、LC濾波電路濾波，最后輸出到負(fù)載。

3　控制電路

整個(gè)控制電路板的組成包括工作電源的提供、EXB841驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路、SG3525集成PWM控制器及外圍電路、AVR單片機(jī)及外圍電路、和主電路接口、液晶顯示模塊接口、打印機(jī)接口幾個(gè)部分。

設(shè)計(jì)控制板結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖3　檢測(cè)、控制板框圖

控制板的整個(gè)工作過程：

220v交流電經(jīng)過電源變壓器輸入到控制板上，經(jīng)過整流穩(wěn)壓輸出，提供板子上各部分的工作電源，包括EXB841工作用20v電源、單片機(jī)工作用5v電源、電流檢測(cè)用正負(fù)15v電源。這是提供工作電源部分完成的工作。

EXB841及其外圍電路部分，是將SG3525產(chǎn)生的PWM脈沖轉(zhuǎn)換為直接驅(qū)動(dòng)IGBT的控制脈沖。EXB841是開關(guān)器件IGBT專用的驅(qū)動(dòng)芯片。

SG3525及其外圍電路部分是根據(jù)電壓反饋完成PWM脈沖的產(chǎn)生。它是電壓型PWM集成控制芯片。SG3525內(nèi)部集成有一個(gè)欠壓封鎖單元、一個(gè)參考電源穩(wěn)壓器、一個(gè)振蕩器OSC、一個(gè)觸發(fā)器、一個(gè)比較器、一個(gè)PWM鎖存器、一個(gè)誤差放大器、兩個(gè)功率開關(guān)管、兩個(gè)或非門、兩個(gè)互補(bǔ)輸出功率放大MOSFET，共10部分電路。主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：采用CMOS工藝制作，低功耗;極低的工作電源電流;逐脈沖封鎖功能;內(nèi)含獨(dú)立雙推挽輸出通道;可單端輸出，亦可雙通道輸出工作;參考電壓精度高達(dá)1%;具有三態(tài)同步引腳，特別適用于并聯(lián)工作;具有欠電壓滯后關(guān)斷功能;可外接電容，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng);脈沖上升下降響應(yīng)時(shí)間僅為50ns;封鎖延遲僅為140ns;內(nèi)部集成有低壓輸入保護(hù)環(huán)節(jié)。

和主電路接口指的是電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)部分以及EXB841的輸出脈沖和逆變電路的連接。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中采用霍爾元件進(jìn)行電流檢測(cè)、用分壓電阻進(jìn)行電壓直接檢測(cè)，并將檢測(cè)到的數(shù)值直接作為單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入。

AVR單片機(jī)及其外圍電路，完成整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、顯示、打印功能，使得設(shè)計(jì)的開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話智能化。整個(gè)系統(tǒng)采用液晶顯示模塊來隨時(shí)顯示電路的工作狀態(tài)，用微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)上電打印、即時(shí)打印、故障打印及報(bào)表打印等功能。

4　單片機(jī)控制系統(tǒng)

1)單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)電源的工作參數(shù)的檢測(cè)、顯示、打印，故障報(bào)警，并對(duì)主回路進(jìn)行自動(dòng)控制。

檢測(cè)部分包括兩路模擬轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際電源正常工作電壓電流的檢測(cè)。采用單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。電流檢測(cè)通過霍爾元件、電壓檢測(cè)通過分壓電阻將電路的實(shí)際工作狀態(tài)的電流電壓值作為AVR單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入。

顯示部分采用EDM12232液晶顯示模塊。實(shí)現(xiàn)電壓電流數(shù)值的顯示，以及電壓電流超出時(shí)的報(bào)警。液晶顯示模塊和單片機(jī)之間是并行通訊。

打印部分選用了TP UP-AN系列的智能微型打印機(jī)，在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印、即時(shí)打印、故障打印、上電打印四種動(dòng)作。采用時(shí)鐘芯片DS1302生成實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷。

打印機(jī)和單片機(jī)之間采用串行通訊，占用AVR本身的URAT串行口。時(shí)鐘芯片DS1302則用普通IO口作為串行口和單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)串行通訊。

單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)如下：

圖4　 單片機(jī)外圍電路

2)單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)包括“模數(shù)轉(zhuǎn)換”“液顯初始化”“上電打印”“時(shí)間日期”“液晶顯示”“電壓超出”“電流超出”“即時(shí)打印”“故障打印”“報(bào)表打印”幾個(gè)子程序。其中上電后先調(diào)用“液顯初始化”“時(shí)間日期”“上電打印”三個(gè)子程序。“即時(shí)打印”“報(bào)表打印”是外部中斷執(zhí)行。“電壓超出”“電流超出”“故障打印”是故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)打印。

“模數(shù)轉(zhuǎn)換”完成兩路模擬信號(hào)即電壓電流的轉(zhuǎn)換，“液顯初始化”可以顯示

“電壓：　.　 v

電流：　.　 A”。

“上電打印”完成微型打印機(jī)打印出“××年××月××日××時(shí)××分××秒 上電”

“時(shí)間日期”完成讀取當(dāng)前的時(shí)間日期，為上電打印作準(zhǔn)備，并把上電工作的起始時(shí)間存放。

“液晶顯示”完成“電壓：**.** V

電流：**.** A”

“電壓超出”完成液晶模塊顯示“電壓超出!!”

“電流超出”完成液晶模塊顯示“電流超出!!”

“即時(shí)打印”完成微型打印機(jī)打印“××年××月××日××時(shí)××分××秒

電壓：××.××V　電流：××.××A”

“報(bào)表打印”完成微型打印機(jī)打印

時(shí)間　　 電壓(單位：v)　電流(單位： a)

×××　　××.××　　　　××.××

×××　　××.××　　　 ××.××

....　　　　 .....　　　　　　......

“故障打印v”完成微型打印機(jī)打印“××年××月××日××時(shí)××分××秒 電壓超出”

“故障打印a”完成微型打印機(jī)打印“××年××月××日××時(shí)××分××秒 電流超出”

主程序按照上面思路編寫的，這里省略了主程序流程圖。

4　結(jié) 論

該論文所有實(shí)驗(yàn),包括電路和程序都已經(jīng)調(diào)試完畢，實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)指標(biāo)：

1)給定電壓范圍0-4V連續(xù)可調(diào)

2)輸出功率：當(dāng)輸出電壓為0-60V時(shí)，輸出電流為0-30A;當(dāng)輸出電壓為0-30V時(shí)，輸出電流為0-60A。兩種工作狀態(tài)可以通過變換變壓器抽頭來互相轉(zhuǎn)換。

3)當(dāng)儀器上電后，微型打印機(jī)可以上電打印其工作起始時(shí)間、即時(shí)打印工作情況。另外通過按鈕可以實(shí)現(xiàn)故障打印及報(bào)表打印;液晶顯示可以正常顯示工作情況，包括正常電壓電流值 以及報(bào)警顯示。

4)儀器工作電壓：交流50HZ、單相220V±10%

5)工作環(huán)境溫度：-10℃±40℃、自然空氣冷卻