摘要：介紹了應(yīng)用于陰極保護系統(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)計步驟及實驗結(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，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)生和單片機智能化控制兩個部分。單片機智能化控制系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、微型打印機、串行通訊、時鐘芯片等幾部分。單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)的液晶顯示、微型打印機的各種打印功能使得整個系統(tǒng)的工作更加直觀、方便。

系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)：

2　主電路設(shè)計

開關(guān)電源的拓撲結(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，選用主電路拓撲結(jié)構(gòu)為半橋式逆變電路。而且，由于電容的隔直流作用，半橋式電路對由于兩個開關(guān)管導(dǎo)通時間不對稱造成的變壓器一次電壓的直流分量有自動平衡作用，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，但是基于現(xiàn)階段的實際情況及實驗室現(xiàn)有試驗條件，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，最后輸出到負載。

3　控制電路

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

設(shè)計控制板結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖3　檢測、控制板框圖

控制板的整個工作過程：

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、單片機工作用5v電源、電流檢測用正負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IGBT的控制脈沖。EXB841是開關(guān)器件IGBT專用的驅(qū)動芯片。

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)部集成有一個欠壓封鎖單元、一個參考電源穩(wěn)壓器、一個振蕩器OSC、一個觸發(fā)器、一個比較器、一個PWM鎖存器、一個誤差放大器、兩個功率開關(guān)管、兩個或非門、兩個互補輸出功率放大MOSFET，共10部分電路。主要設(shè)計特點為：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，實現(xiàn)軟啟動；脈沖上升下降響應(yīng)時間僅為50ns；封鎖延遲僅為140ns；內(nèi)部集成有低壓輸入保護環(huán)節(jié)。

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

AVR單片機及其外圍電路，完成整個系統(tǒng)的檢測、顯示、打印功能，使得設(shè)計的開關(guān)電源實現(xiàn)人機對話智能化。整個系統(tǒng)采用液晶顯示模塊來隨時顯示電路的工作狀態(tài)，用微型打印機實現(xiàn)上電打印、即時打印、故障打印及報表打印等功能。

4　單片機控制系統(tǒng)

1）單片機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

單片機系統(tǒng)完成對整個電源的工作參數(shù)的檢測、顯示、打印，故障報警，并對主回路進行自動控制。

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

顯示部分采用EDM12232液晶顯示模塊。實現(xiàn)電壓電流數(shù)值的顯示，以及電壓電流超出時的報警。液晶顯示模塊和單片機之間是并行通訊。

打印部分選用了TP UP-AN系列的智能微型打印機，在單片機的控制下，實現(xiàn)報表打印、即時打印、故障打印、上電打印四種動作。采用時鐘芯片DS1302生成實時時鐘、日歷。

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

單片機外圍電路設(shè)計如下：

圖4　 單片機外圍電路

2）單片機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計包括“模數(shù)轉(zhuǎn)換”“液顯初始化”“上電打印”“時間日期”“液晶顯示”“電壓超出”“電流超出”“即時打印”“故障打印”“報表打印”幾個子程序。其中上電后先調(diào)用“液顯初始化”“時間日期”“上電打印”三個子程序。“即時打印”“報表打印”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)生時自動打印。

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

“電壓：　.　 v

電流：　.　 A”。

“上電打印”完成微型打印機打印出“××年××月××日××時××分××秒 上電”

“時間日期”完成讀取當前的時間日期，為上電打印作準備，并把上電工作的起始時間存放。

“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！！”

“即時打印”完成微型打印機打印“××年××月××日××時××分××秒

電壓：××.××V　電流：××.××A”

“報表打印”完成微型打印機打印

時間　　 電壓（單位：v）　電流（單位： a）

×××　　××.××　　　　××.××

×××　　××.××　　　 ××.××

....　　　　 .....　　　　　　......

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

“故障打印a”完成微型打印機打印“××年××月××日××時××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

該論文所有實驗,包括電路和程序都已經(jīng)調(diào)試完畢，實現(xiàn)了如下技術(shù)指標：

1）給定電壓范圍0－4V連續(xù)可調(diào)

2）輸出功率：當輸出電壓為0－60V時，輸出電流為0－30A；當輸出電壓為0－30V時，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）當儀器上電后，微型打印機可以上電打印其工作起始時間、即時打印工作情況。另外通過按鈕可以實現(xiàn)故障打印及報表打?。灰壕э@示可以正常顯示工作情況，包括正常電壓電流值 以及報警顯示。

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

參考文獻：

1、楊旭 裴云慶 王兆安　　開關(guān)電源技術(shù)　機械工業(yè)出版社

2、丁化成 耿德根 李君凱　AVR單片機應(yīng)用設(shè)計　北京航空航天大學(xué)出版社

3、李慶波 王菽蓉 串行實時時鐘/日歷芯片DS1302及其應(yīng)用　黑龍江電子1999年第10期