代晓曼 郭淑敏 魏元鹏 汪材印
（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）
摘 要
本文是关于设计出一种STC12C5A60S2单片机发生47KHZ的PWM脉冲信号，经过驱动芯片IR2104控制MOS管，从而控制整个BUCK（降压式变换）电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电流电压闭环控制系统。按键能设置输出电流从0.2A到2A，以0.01A递增，输出最大10V，液晶实时显示输出电流与电压，电源设计时采用N+1的模式，正常情况下所有模块均参与工作，如设备出现故障，电源不会停止。系统将自动减少电流运行并将故障单元退出，不影响生产。同时所有模块单元通用化，只需备份少许模块单元即可自由更换故障模块，使维修更加简易化。此外还可实现数字化控制，各模块单元均以微处理器为控制核心，主要利用软件程序实现自动均流等控制方案，控制灵活，精准度高，动态响应快，所用元件少，可靠性高。
【关键词】STC12 ；PWM ; IR2104 ; BUCK ;开关电源 ；
1、设计背景及意义
21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。
随着科学技术的不断进步，科学成果也有很大的进展，在开关电源方面的研究也是如此。电力电子已经成为人们生活中必不可或缺的一部分，同时也是经济发展的命脉。电力电子技术的发展导致电力开关器件的性能大幅提高，开关上限频率、功耗也都有了明显的改善。同时，数字控制具有灵活性高、精度高、信号稳定等显而易见的优点而在目前开关电源的研究领域成为热点，数字控制技术在不断地进步、发展和广泛应用。由于高频开关电源具有效率高、寿命长、性能可靠等优点而倍受青睐，成为电源系统中最重要的组成部分之一。
2、开关电源的简介
2.1 开关电源的定义
开关电源顾名思义，开关电源便是使用半导体开关器件，经过控制电路，使半导体开关器件不停地“导通”和“关闭”，让半导体开关器件对输入的电压进行脉冲调制，从而完成直流到交流、直流到直流电压变换，和输出电压可调和自动稳压。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和开关器件(MOSFET、BJT等)构成。
2.2开关电源的工作原理
开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源的工作原理就是将交流电先整流成直流电，再将直流逆变成交流电，再整流输出成所需要的直流电压。
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压的方式、平均值输出电压的方式、幅值输出电压的方式。同样的，前一种工作方式经常用在直流/交流逆变电源，或直流/直流电压变换；后两种工作模式经常用于开关稳压电源。
3、系统硬件设计
3．1总统框架
基于单片机的开关电源设计，由STC单片机、变压器，整流滤波电路，BUCK主回路、降压稳压电路、按键电路、液晶电路、电压检测电路、电流检测电路等组成。总体设计框图如图1所示。
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3.2.1 STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2，在指令代码的方面可以完全兼容传统8051,同时它的速度比传统的8051单片机要快8-12倍，体现了其高速度的一面。这系列单片机其里面有专用的集成复位电路，另有8路高速的10位ADC转换，同时还兼有2路的PWM等，它的功能之强大远超传统的8051系列。
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3.2.2 IR2104半桥驱动电路
IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。
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图2 IR2104应用电路图
3.2.3辅助电源模块
线性降压芯片7805这个稳压IC需要的外围元件很少，IC内部还有过流、过热及调整管的保护措施，不但价廉且输出电压很稳定。78系列的稳压集成块要考虑输出与输入压差带来的功率损耗，所以一般输入输出之间压差要大于2V。其应用电路图如图3所示。
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图3 7805应用电路
3.2.4 电流检测电路
采用电阻分压检测电路。经过在输出回路中串连采样电阻，将经过电阻的电流转换成两端的电压，经过检测电压值从而获得电流值。要完成对输出电压和电流的闭环控制，务必对输出电流和电压进行采样反馈。本设计采用如下图所示的电流电压检测电路。为了便于MCU采集，分压电阻发生的电压经过由LM358组成的同相比例放大器放大后，输入到MCU的ADC端口。
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图4 电流检测电路
3.2.5 电压检测电路
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图5 电压检测电路
3.2.6 按键电路
本系统设计应用了3 个按键，按照软件来定义功能，键盘与单片机的P2.3、P2.2、P2.1键盘是若干按键的集合,是向系统提供操作人员干预命令的接口设备。
S1为开关按键，按一下即有输出，按第二下即输出停止，如此循环
S2为输出电流增加。
S3为输出电压减少。如图7所示
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图6 按键电路
3.2.7 液晶显示模块
系统采样1602液晶显示。液晶驱动电流较小，能显示较大信息量，无需增外设电路。能显示多行数据，方便用户进行更多的操作。显示输入输出的实时电压，输出的实时电流，预设的输出电压。
4、系统软件设计
4.1主程序设计
主程序主要处理对时间要求不敏感的数据，例如按键检测，和显示电压电流状况，此中显示这些数据时刻采用数字平均滤波算法，采集50个数据，继而取平均值，使得到的数据更加接近真实状况，使得显示出来的电压和电流不会乱跳，抗干扰能量得很大的提升。
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4.2按键子程序设计
按键子程序中，按加键的话，增加输出电压预设；按减键的话，降低输出电压预设；按开关键的话，能控制IR2104的工作与否，从而控制整个BUCK的工作与否。
4.3 ADC中断程序
ADC中断程序中，因为有输入电压，输出电压，输出电流这3个数据要监测，所以采用通道轮流询问的办法完成。
于此同时，要完成电流电压检测的双闭环的话，要在ADC程序中加入PWM处理程序，使得当输出负载变动，引起检测到的输出电压ADC值变动，PWM需要实时响应这个变化，所以在ADC程序中，要加入PWM的重装数据的语句。
4.4关键程序
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5、小结
本开关电源设计采用STC12单片机发生PWM脉冲信号，经过IR2104控制MOS，从而控制整个BUCK电路。通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电流电压闭环控制系统。根据测试，满载的供电效率为88%。按键设置的输出电流的误差小于0.01A。因此，本文所研究的基于单片机的开关电源设计满足了当初的设计预想，达到较好效果。
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（宿州学院国家级大学生创新创业训练计划项目资助 项目编号：S202010379146）.