基于紅外遙控的數字調節開關電源設計與實現

開關穩壓電源以體積小、重量輕、效率高等優點，在電子通信、軍事裝備、交通運輸、工業設備等領域得到廣泛的應用。它是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成，和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地發展，成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發展空間。本文介紹一種以89S52單片機為核心，以MOSFET為主開關管，用PWM調節相結合的方法，使輸出電壓連續可調的開關電源。

開關電源設計總體分析

1 開關電源原理
開關電源通過電路控制開關管進行高速的道通與截止，將直流電轉化為高頻率的交流電并提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓。開關變壓器可以做得很小，而且工作時溫度不很高，成本很低。其大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有變壓器,而非隔離的未必一定有。

開關電源的工作流程是:
①交流電源輸入經整流濾波成直流；
②通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,將直流電壓加到開關變壓器初級上；
③開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載；
④輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩定輸出的目的。
交流電源輸入時一般要經過扼流圈一類的東西,過濾掉電網上的干擾，同時也過濾掉電源對電網的干擾；在功率相同時,開關頻率越高,開關變壓器的體積就越小,但對開關管的要求就越高；開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭，以得到需要的輸出；一般還應增加一些保護電路,比如空載、短路等，否則可能會燒毀開關電源。

2 本設計框圖
本設計以MCU為核心，輸入為電網電壓，通過友好的鍵盤液晶交互方式，完成連續可調的電源輸出。電網電壓通過輸入回路中的整流器和濾波器轉換為直流電壓輸入高頻變換器，經高頻變換器轉變為高頻脈沖方波電壓，再通過輸出回路中的高頻整流器和濾波器變成直流電壓供給負載。整個系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統硬件設計
AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K可編程Flash存儲器。以其為核心，系統主要組成部分有：采集信號的調理模塊，脈寬輸出信號驅動模塊，過流、過壓保護模塊，人機交互接口模塊，聲光報警報警模塊，RS232模塊。其中，采用紅外遙控模塊是系統的一大特色。系統結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等采集信號調理電路主要由精密運算放大器組成，通過差動、比例運算放大，消除信號的共模干擾，把采集信號調理成標準的0～5V電壓信號，經ADC輸入給單片機處理。PWM輸出驅動電路主要是把89S42單片機輸出的PWM的信號進行放大。過流、過壓保護主要由傳統的繼電器，組合邏輯電路組成。當單片機控制電路檢測到輸出過壓、過流或輸入過壓的時候，單片機輸出開關量到組合邏輯電路，執行相應的應急處理。

人機交互接口是電源系統很重要的部分。考慮到開關電源的商業化、產品化的需要，使用了128×64液晶顯示單元。單片機的數據可通過串口送到液晶屏顯示出來。此外，采用了鍵盤輸入和紅外遙控輸入兩種方式，可以在惡劣環境中進行產品和用戶的交互。系統電路圖如圖3所示。

圖3 X51系統電路

高頻變換電路設計
本開關電源需要具有可調輸出電壓的功能，因為采用PWM和PFM相結合的調節方法，必須選擇合適的高頻變換電路。設計時，采用雙MOSFET組成反激半橋高頻變換電路，如圖4所示。

圖4 高頻變換電路

該電路中的高頻變壓器T，一次繞組通過兩個場效應管接向工頻整流后的直流電源，這兩個場效應管同時導通、關斷。場效應管開通時儲存能量；斷開時，磁場能量轉化成電能供給負載。這種電路適用于固定頻率、可變頻率、完全和不完全能量傳遞的應用場合。其他的工頻整流、濾波電路以及高頻整流濾波電路均選用普通開關電源常用的電路形式。

圖5 軟件設計

系統軟件設計
1 多任務設計
軟件設計采用實時多任務的嵌入式操作系統（Small RTOS51 System），通過高效率的時間片（Time Slice）管理，控制系統運行。
2 系統流程圖
整個系統的運行流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖