基于ARM的智能数字开关电源设计.doc

基于ARM的智能数字开关电源设计 来源：现代电子技术 作者：吴 琼 彭保进 0 引言??? 随着现代科技事业的发展，电器设备的精度提高、可靠性加强，智能化和数字化的实现，开关电源正朝着高精度、智能化、数字化的方向发展。开关电源通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压的稳定，具有体积小、重量轻、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等特点。??? 本文采用SAMSUNG公司的SC344BOX的ARM7芯片设计了一种智能化、数字化的可调开关直流电源，对电源主电路实现了全数字控制，输出电压可调，并提高了输出电压的精度和稳定度。控制算法通过软编程可以使系统升级，也便于用户根据各自的需要灵活地选择不同的控制功能。1 电源系统的总体设计??? 电源系统的设计要求是：工频电源交流220 V输入，直流电压可调输出10～2 000 V，输出电流小于100mA，用户可以使用键盘随时更改输出电压，显示屏上显示当前的工作状态。根据要求设计的电源系统由电源电路和控制电路两部分组成，如图1所示。 ??? 电源电路部分主要包括整流滤波、BUCK变换器、推挽式直流变换器、滤波器，把工频电源转化成所需要的直流电源。控制电路部分主要包括ARM7控制单元、电压分压反馈取样、键盘／显示，根据用户的输入参数来调整输出的直流电压，并把当前的工作状态显示出来。EMC保护用来消除工频电源中的噪声干扰，保护系统电路不被损坏。 2 电源电路部分的工作原理及设计2．1 整流滤波及BUCK变换器的设计??? 整流滤波把工频的交流电源变成直流电源，其电路如图2所示，输入／输出的波形如图3所示。为了提高整流效率，采用全桥整流，整流桥硅使用性价比高的KBP3510，2个400 V的47μF电容并联，输出直流电压U0约为300 V。 ??? BUCK变换器又称降压变换器，它是ARM根据当前输入的参数和反馈电压，产生PWMl，使用IGBT集成驱动器来驱动主电路中的IGBT，由于占空比的变化控制了输出电压的值，电路如图4所示。BUCK变换器必须工作在连续工作状态，则电感L的临界值为。由于电源系统输出功率为150 W，则P01150 W，取P01=200W且，f0=100 kHz；U01的值在2～200 V之间可变，则可得；，其关系曲线如图5所示。所以当L340μH，电容C3为500 V的470μF，就可以保证变换器保持连续工作状态。2．2 推挽式直流变换器及滤波器的设计??? 由于电源的输出功率小于200 W，采用推挽式直流变换器可以满足此要求。如图6所示，S1和S2是IGBT，它们交替导通，每个开关导通比为50％，S1，S2导通分别由PWM2，PWM3控制，PWM2，PWM3是ARM给出的控制信号。S1，S2的作用是在高频变压器T的初级产生对称的交变方波，当S2导通(S1截止)时，T的磁芯中磁通上升，当S1导通(S2截止)时，T的磁芯磁通下降。在次级产生一个变电压，经D1，D2整流后，便得到直流的输出电压U02，在理想状态下分别为变压器的初级和次级绕线的匝数。因为与01相连的初级绕组上的电压反射到初级绕组的另一半上，所以S1或S2在不导通时，两端的电压为2U01所以IGBT耐压要大于2U01，即IGBT的耐压大于400 V。??? 在高频上，变压器通常采用导磁较高的铁氧体磁芯或铍莫合金铁芯等磁性材料，其目的是为了获得大的励磁电感，减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和失真传输具有宽频带的脉冲能量。本文采用PQ型铁氧体磁芯，内芯为圆柱，绕线方便同时也便于绕成蜂房式线圈以减小分布电容，且没有棱角，高压时不易打火击穿，次级边的匝数不超过2000圈，初、次级的匝数比为1：12。 ??? 由于高压变压器的匝数多，初次级之间的耦合度较强，且寄生电容大，它的输出波形接不连续，波形如图7所示。因此输出的电压要有滤波器，才能得到比较稳定的电压。滤波器的设计如图6所示，电容耐压3 kV，容量为470 pF。3 ARM控制系统及其软件实现功能??? 该系统采用的ARM是SAMSUNG公司的SC344BOX芯片，是一款低价格、高性能的ARM芯片，拥有出色的外设模块，适用于工业控制、生物识别、多媒体监控、网络流媒体和智能电器等。其主要特点有：??? (1)ARM7TDMI内核，支持Thumb(16位)／ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位／16位器件；带有8 KB高速缓存器，主频可达66 MHz；??? (2)LCD控制器，可以支持256色STN，且LCD有专用DMA；??? (3)5个PWM定时器，1通道内部定时器；??? (4)16位看门狗定时器；??? (5)8通道10位ADC；??? (6)71个通用I／O口，8通道外部中断源。