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单片机应用

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    标    签:单片机开关电源

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    基于单片机控制高压开关电源

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    第29卷第2期 2009年3月 核电子学与探测技术 Nuclear Electronics&Detection Technology 鲧碰29 No.2 №2009 一种单片机控制的高压开关电源 孟德川,邓玉福,周 波,于桂英 (沈阳师范大学,辽宁沈阳110034) 摘要:针对X射线荧光分析装置对供电高压电源在效率、体积和智能控制等方面的要求,研箭了一 种以单片机和脉宽调制(PMW)技术为基础的高压电源.以单片机89c52为控制主体,采用单端式推 动、PID算法稳压控制,经变压器和倍压整流后输出高压。电源输出在0---50 kV连续可调,且体积小、 效率高、长期运行性能稳定. 关键词:单片机,高压开关电源,们L494 中图分类号:田姻6 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2009)02-0361-04 高压电源在日常的生产、生活中有着广泛 的应用,尤其在军事、医疗、射线类探测器和静 电喷涂等技术领域。传统的高压电源多采用线 性技术,这种结构形式造成电源变换效率低,体 积大,重量沉,操作维修不方便。随着科学技术 的发展,人们对高压电源的智能化程度、转换效 率和带负载能力提出了更高的要求。本文设计 了一种新型的高压开关电源,该电源采用脉宽 T 调制(PWM)、单端式推动、数字调节、闭环实时 监控、模数电路相互配合,具有体积小、逆变效 率高、通用性强、输出范围宽、稳压精度高、控制 性能优良等特点。 1 电路结构及工作原理 1.1升压部分结构及原理 图1升压电路 升压部分电路如图1所示。采用简单高效 想的情况下,输出端电压为: 的单端电星各[11,倍压电路为半臂逆对称式,在理 儿一%誊笋 ㈣ 收稿日期:2008-10-29 作者简介:孟德J11(1984-),男,辽宁沈阳人,沈阳师 范大学硕士研究生,研究方向为高压开关电源. 式中:N——变压器次、初级的匝数比,N; M:M n——倍压级数 Ul——变压器的初级供电电压 361 万方数据 伊一占空比, 占=番矗 ㈣ 因此,在行、N、巩一定时,调节艿就可得到 连续可调的电压。 电容采用高压聚苯乙烯电容器(CBY- 30kv、2000PF),二极管采用高反压硅2CGI, 25kV。综合考虑其工作频率、倍压电容容量及 耐压,取r1.=-7,变压器的升压比为Ⅳ2:Nl= 140:1,磁芯为U型中频磁芯。 1.2开关管保护电路 开关管在高频状态下工作,会产生振荡[2]。 为了消除这种寄生振荡,应尽量减少开关管与 各管脚的连线长度,特别是栅极引线的长度。 若无法减少其长度,可以串联小电阻,且尽量靠 近管子栅极。同时,由于开关变压器T是感性 元件,所以在开关管截止瞬间,其漏极将产生极 高的反峰值电压,容易导致开关管过压损坏,为 此必须设置尖峰吸收回路,如图2所示。接在 开关管漏极的&、C1、ⅥD1为吸收网络。当开 关管关断时,高频变压器初级线圈上产生的尖 峰电压改为向电容充电,因此可限制尖峰电压 的峰值以及上升速率,对开关管起保护作用。 图中R1既是MOS功率管的栅极限流电阻,又 与&一起消除功率管工作时产生的寄生振荡。 T R匕 图2尖峰脉冲吸收回路 补售■ 控倒放大■ 图3 TL494内部等效电路 1.3脉宽调制及控制原理 于过压和过流保护。TIA94内部有误差放大 脉宽调制我们采用的是TL494,其内部等 器,其驱动输出三极管在触发器的输出为低电 效电路如图3所示。它是一种性能优良的电压 驱动型脉宽调制器。它的工作频率取决于锯齿 波发生器的5脚电容值和6脚电阻值,考虑到 平时,且锯齿波电压的幅值高于控制信号的幅 值时才会有输出脉冲。因此,当控制脉冲的幅 值不断增加时,会导致输出脉冲的宽度不断变 效率等因素,我们把频率定为20kHz。4脚为 窄,进而实现脉冲的控制输出。利用此原理可 死区电平控制端,经实验测量可知,在4脚加 实现调节输出高压和稳压。控制电路原理如图 0V电压时,脉冲输出可达最大宽度,当加上超 4所示。 过2.58V的电压时,则停止震荡。故4脚可用 362 万方数据 先初始化89C52、MAx525、MAX7219芯 片各端口,开中断响应键盘输入,LED显示和 DA和AD转换,进行数据处理。若有过压或 过流情况发生,启动过压和过流保护子程序,软 件流程如图6所示。 图4控制电路原理结构图 当由键盘输入电压值之后,单片机系统将 用户的输入值转换与实际电压值一一对应,经 过运算通过DA输出电压控制TL494的3脚, 得到一定占空比的方波,该方波作为驱动开关 管的触发脉冲,通过高频变压器和倍压整流输 出高压。对输出电压信号的取样,采用在输出 端将高压经电阻串联衰减的方式来实现;对电 流信号,采用在主回路中串联取样电阻,将负载 电流转化为电压信号。取样电压、电流信号经 光电隔离后反馈入单片机。由AD经光耦返回 的电压值与输入值进行比较,利用误差进行输 出校正,这相当于闭环稳压控制,能达到很高的 稳压精度。输出电压按照预置步长逐步增加, 当AD检测电压或电流返回值大于保护值时, 由单片机DA输出高于2.58V的电压给 TL494的4脚,使其停止震荡,达到保护的目 的。 1.4控制系统硬件设计 控制系统以STC89C52单片机为核心,采 用MAXIM公司生产的MAX525芯片完成数 模转换;通过P0口控制LED显示,P1口用于 与4x 4键盘接口完成按键识别功能;利用 MAXIM公司生产的MAXl247芯片完成模数 转换;通过MAX7219实现对八个数码管的控 制。仪器操作面板上的键盘与显示部分,由8 位数码管,2个LED指示灯以及16个键构成, 其中数码管显示键人电压以及实际输出电压, LED指示灯作为过压和过流报警显示,键盘用 于输入电压值、步长值,系统硬件原理如图5所 示。 1.5控制系统软件设计 软件系统分为各个模块的子程序[3]。LED 显示子程序:输入和输出电压显示;输出控制子 程序:检测和调整输出值;过压和过流保护子程 序。 图5硬件原理图 图6系统主程序流程图 2实验结果 整个电路焊接完毕,经检查无误后,先暂时 断开TI.A94与开关管栅级的连线,通过键盘输 入不同的电压值和步长值进行开环测试。取样 采用在5Q电阻上加0,-'-,5V可变电压的方法, 在示波器上得到如图7(a)所示的连续可调的 方波。调节TL494的5脚电容值和6脚电阻 值,使其输出脉冲的频率符合要求(20kHz)。 在输出端接一个约100MQ的电阻进行模 拟负载实验。高压输出端电压测量采用电阻分 压的形式来解决(如用50肚的表头与 1000MQ的电阻串接)。测得该电源整机性能 指标为:输出电压0~50kV(连续可调);输出 电流o~3IIA;稳定性0.1%;波纹系数<1%; 效率>80%。开关管漏极的电压波形如图7 363 万方数据 (b)所示。 图7 TIA94的触发脉冲和开关管漏极电压波形 (a)触发脉冲;(b)漏极电压波形 3结束语 此电源经过实验调试,达到技术设计要求, 效果良好,安全可靠。我们用它作为X射线荧 光分析装置的供电电源,长期使用,运行稳定。 子工业出版社,2001. [23胡存生,等.集成开关电源的设计制作调试与维修 [明.北京:人民邮电出版社,1995. [3]谢维成,等.单片机原理与应用及C51程序设计 [M].北京:清华大学出版社,2006. 参考文献: [13刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京:电 A High-voltage Switching Mode-power Supply Based on SCM MENG De-churn.DENG Yu4u,ZHOU Be,YU Gui-Ying Ah蛐耐:With the requirements of出e e/fidency,volume size a11d intelligent control of the power supply for the x-ray fluorescence analysis。a high-voltage power supply based on the technique of SCM and P’ⅣM has been develope&It was designed by single ended type promoted and PD control algorithm regulator. SCM.m and controlled by STC89C52 high-voltage power supply put OUt 0~50kV continuous adjusts- bh voltage by means of the transforiser and voltage multiplying rectifier.a11d姗steadily for long time 而t11 the small size and high effidency. Key words:SCM,bi_gh-voltage switching timbales-power supply,TIA94 (上接第293页,Confmued horn page 293) software.using that model the potentM distribution in chamber with different n1.ffilber,radius or posi· tion of anode was obtained.Eventually the influences of anodgs number,radius and position OU the chin- bets energy resolution were studied.The results show that the more number of anode,the smaller radius of anode and the nea册position from chamber's mid-axis,the better energy resolution of the ionization chamber could be achieved.T11is study could provide a reference for optimization design of the detectors similar tO HPXe ionization chamber. w岫:High-Pressure Key Xenon IonizatiOU Chamber,Coplanar gTid AFlode,Energy resolution,Ⅳ【a=r well3D 万方数据 一种单片机控制的高压开关电源 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 孟德川, 邓玉福, 周波, 于桂英, MENG De-chuan, DENG Yu-fu, ZHOU Bo, YU Guiying 沈阳师范大学,辽宁沈阳,110034 核电子学与探测技术 NUCLEAR ELECTRONICS & DETECTION TECHNOLOGY 2009,29(2) 2次 参考文献(3条) 1.刘胜利 现代高频开关电源实用技术 2001 2.胡存生 集成开关电源的设计制作调试与维修 1995 3.谢维成 单片机原理与应用及C51程序设计 2006 相似文献(4条) 1.学位论文 孟繁荣 高压开关电源设计 2005 高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术 的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关 电源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于高压直流电源领域,使高压直流电源变得 体积小,重量轻,效率高,性能更好。 本次论文研究工作是针对X射线发生装置设计所需高压电源。论文首先介绍了目前高压直流电源领域的发展情况,和X光管工作的基本原理,论证了 各种开关电源主电路的拓扑结构,由于单一结构形式的变换器难以满足系统功能和性能指标的要求,提出了一种组合式结构,以半桥式变换器组合降压 斩波电路的主电路结构形式,应用MATLAB仿真验证了系统设计的可行性。然后论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算,对变换器中较为关键 的高压变压器进行了具体设计,并指出了变压器制造过程中影响性能指标的关键因素和解决办法。控制电路设计中选用开关电源专用芯片TL494作为主要 控制芯片,应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和PI调节控制器,应用控制领域使用最为广泛的51系列单片机构成控制电路中的数字控 制部分,结合信号检测技术,组成具有完善控制和保护功能的电源系统。在论文的系统调试部分记录了此次设计的电源的调试步骤和过程,以及每步调 试的波形和数据,尤其重要的是发现并记录了TL494的设计缺陷,提出了补救方法。经过多次试验和反复补充修改设计,最终制成了一台具有较高性能指 标的高压开关电源样机。 2.期刊论文 刘华毅.李健.LIU Hua-yi.LI Jian 绝缘电阻测试仪的设计 -仪器仪表用户2006,13(6) 本文介绍了一种基于电阻分压原理的绝缘电阻测试仪的设计.利用A/D转换器对高压开关电源产生的高压在被测电阻与标准电阻之间的分压信号进行 数据采集.通过单片机的处理即时的将绝缘电阻值显示在LCD屏幕上.较之以往传统的兆欧表而言,整个系统操作过程简单省力,界面友好,测量精度高,实现 了测量的自动化. 3.期刊论文 李响.王顺.张旭苹.LI Xiang.WANG Shun.ZHANG Xu-ping 海底光缆绝缘层监测系统设计与实现 -光电 子技术2008,28(3) 针对海底光缆的绝缘故障,设计了一种以ATmega16单片机为控制核心的绝缘在线监测系统.该系统能及时发现绝缘故障并报警,从而有效消除海缆的安 全隐患.文中阐述了海缆绝缘层监测系统的基本原理,给出了硬件部分的具体设计方法,同时对硬件电路中的高压开关电源的设计进行了详细描述.实验结 果表明,该系统能够完成对海底光缆绝缘性能的测量. 4.学位论文 王蓉 高频高压开关电源的设计 2008 电除尘器是一种广泛应用于水泥、电力、冶金等行业的治理废气和粉尘的高效率的环保机械。但随着环保要求的提高,对其节能运行提出了更高的 要求,由此,该类设备的核心部件--高压电源的设计受到了广泛关注。 本文首先针对除尘器所需要的高频高压开关电源的要求,对高频高压开关电压的工作原理进行分析,选用适合的开关变换器、控制方式和功率 MOSFET。其次,根据系统主电路的结构,设计出系统的各单元电路。第三,对所设计的高频高压开关电源进行PCB设计。最后,对所设计的系统进行安装 调试,经过多次的反复试验,达到了各项设计指标的要求,并提出了系统的抗干扰措施,设计出一款全新系统结构的高频高压开关电源,适合于中小企 业高压静电除尘用。该系统由整流滤波电路、软启动电路、功率变换电路、全桥斩波电路、升压变压器和高压整流电路等部分组成,其核心部分是功率 变换电路和全桥斩波电路。 本课题摈弃了传统的工频、硅整流模式,设计出基于单片机控制技术和功率场效应管器件的高频(100kHz)高压(60KV/70KV)开关电源。该系统以 MOSFET作为功率开关器件,构成桥式Buck开关变换器:采用脉宽调制(PWM)技术,PWM控制信号由集成控制器SG3525产生,输出实时采样电压反馈信号 ,以控制输出电压的变化,控制电路和主电路之间通过光电耦合器进行隔离。系统还设计了软启动和过流保护电路。通过实验证明该系统能安全、可靠 运行,达到了设计要求。 引证文献(1条) 1.刘艳玲.丁言镁.邓玉福.于桂英 基于高频逆变技术的X射线灯丝电源[期刊论文]-沈阳师范大学学报(自然科学版 ) 2010(1) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hdzxytcjs200902031.aspx 授权使用:许昌学院(xucxy),授权号:93f62dee-e358-494c-a8cc-9e5501251040 下载时间:2010年12月23日

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