一种基于单片机和SG3525的程控开关电源设计与实现

引言

直流稳压电源是一种常见的电子仪器，其广泛应用于实验教学和科学研究等领域。目前使用的直流稳压电源大部分存在诸多缺点，如输出不可调、电压不稳定等等，因而导致实验结果不精确。以SG3525控制芯片和单片机为核心设计制造的智能稳压开关电源，电路简单，价格低廉，性能卓越。因其利用单片机设置周密的保护监测系统，确保了电源运行可靠，所以具有较高的使用价值。

1、调节原理及控制方案

图1  3525传统控制框图

采用SG3525控制的开关电源传统控制方案如图1所示。3525通过检测输出电压，与给定基准电压进行比较，从而自身调节输出的脉冲波形占空比，控制主电路开关管的关断以达到稳定输出的目的。3525传统的控制方式突出的缺点在于基准电压是恒定的，所示输出也是恒定的。这点对于专用电源没有什么问题，但对于像学校实验室等场所，需要的电源并不是专门用于某一个设备的，其电压大小根据设备的变化而变化，这样就需要对原有的控制方式进行修改。

图2  修改过的3525控制框图

修改后的框图如图2所示。电源的输出大小由键盘输入单片机，单片机根据键盘输入给出基准电压，使得主电路输出稳定。

2、程控电源部分硬件电路设计

如图3所示为电源的原理框图。智能稳压电源以开关电源为基础电路，高性能C8051F020单片机为控制核心。电源硬件电路主要由整流滤波电路、Boost电路、PWM控制电路和键盘显示电路等部分组成。在检测与控制软件支持下，通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样，与给定数据比较，从而调整和控制开关电源的工作状态，同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小。整个系统有如下功能：可预置输出电压值，电压值有键盘设定和步进调整两种模式，步进值1V；电路电流超限时，系统能够自动实现过流保护功能；具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

图3  程控开关电源原理框图

2.1、整流滤波电路

电源变压器T将交流电网220V的电压变为18V交流电，然后通过整流桥芯片D25SBA8050将交流电压变成脉动的直流电压，C1、C2对脉动的直流电压进行滤波，滤波后的电压一方面供给DC-DC变换电路，另一方面经三端稳压芯片LM7812给单片机系统板和其它芯片供电。

2.2、信号采样网络及处理电路设计

电压信号的采样通过检测小电阻上的电压获得，该采样电阻上的电压值应该与电路的输出电压之间存在一定的比例关系，本设计中该比例为1：20；电流的采样先是检测采样电阻上的电压，再经过换算而得到。

要得到最终的电压采样信号，需先经过运放组成的减法电路，然后用电压跟随器进行隔离；电流采样电路中，电压信号先经跟随器隔离，然后经过减法电路处理得到最终值。运算放大器选用单电源供电的双运方LM358。最后信号进入C8051F020内部的ADC进行转换，再通过显示模块来显示电压、电流数值。

2.3、PWM控制电路设计

PWM器件的种类比较多，功能也各有不同。PWM器件根据输出反馈和调节脉冲方波的占空比来驱动功率器件、高频变压器、整流和滤波等电路，从而得到稳定的直流输出电压。

SG3525是电压控制型PWM控制器，所谓电压控制型脉宽调制器是按照接反馈电压来调节脉宽的。SG3525为16引脚DIP封装。如图4所示为SG3525的外围电路。

图4  SG3525的外围电路

图4中，R10和R19分别为误差放大器的反相和同相输入端的输入电阻，两者取值为10K；R13、C14分别为片内振荡器的定时电阻和定时电容，电容取98pF，改变R13阻值即可改变频率；R12为C7的放电电阻；C15为SG3525的软启动电容；SG3525的9脚和1脚之间串入电阻和电容，构成比例积分反馈网络；考虑到电路的简单化，SG3525的Shutdown（引脚10）通过电阻有效接地，使得SG3525始终处于工作状态。

3、软件设计与实验结果

系统软件设计采用结构化程序设计方法，软件主体流程图如图5所示。系统首先完成系统硬件和系统变量的初始化（包括检测设定输出，检测初始电压电流并显示等），再由单片机读取设定的输出值，进行数据处理，然后送至SG3525控制输出；另外由单片机D/A转换处理，最后由单片机控制显示接口芯片显示输出的电压值，即为开关稳压电源的输出值。

图5  程序流程框图

在实验室中，对该稳压电源进行了测试。其基本指标为：

（1）输出电压范围0～36V；

（2）最大输出电流1.95A；

（3）电压调整率≤2%；

（4）负载调整率≤5%；

（5）输出噪声纹波电压峰-峰值≤017V；

（6）具有过流保护功能。各项技术指标都达到了较高水平，运行情况良好。

4、结语

本文采用单片机控制传统的PWM芯片3525来控制功率管的通断，以达到稳压的目的，在传统的控制方案上做了修改，使得输出电压可调。该电源除具有传统开关电源稳定性好、效率高、响应速度快等优点外，还可以对输出电压进行键盘设定和步进调整，并且有很强的带负载能力，可靠性高。