引言
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制功率開關(guān)管(MOSFET，IGBT)開通和關(guān)斷的時(shí)間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源,。從上世紀(jì)90年代以來開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子,、電器設(shè)備領(lǐng)域，計(jì)算機(jī),、程控交換機(jī),、通訊、電子檢測設(shè)備電源,、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源,。利用單片機(jī)控制的開關(guān)電源，可使開關(guān)電源具備更加完善的功能,，智能化進(jìn)一步提高,，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。其功能主要包括對運(yùn)行中的開關(guān)電源進(jìn)行檢測,、自動(dòng)顯示電源狀態(tài),；可以通過按鍵進(jìn)行編程控制;可以進(jìn)行故障自診斷，對電源功率部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測;可以對電源進(jìn)行過壓、過流保護(hù),；可以對電池充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,。
開關(guān)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通信用-48V開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
89C51單片機(jī)為控制核心的開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20110516/f2bb24a9-1b0e-43ee-a783-bb6421f4a7b8.jpg" />
圖1開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖
市電經(jīng)整流濾波和功率因數(shù)校正后得到高壓直流電，然后通過DC/DC變換電路得到所需要的直流電壓,?？刂苹芈窂妮敵龆巳硬⑴c設(shè)定基準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器,，改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通頻率或?qū)?截止時(shí)間進(jìn)行輸出穩(wěn)定,；另一方面，根據(jù)檢測電路提供的數(shù)據(jù),，經(jīng)保護(hù)電路鑒別,，利用控制電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)和蓄電池的充放電控制?？刂齐娐肥钦麄€(gè)開關(guān)電源的核心部分,，一般開關(guān)電源的控制電路主要有檢測比較放大電路、電壓—脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路(或電壓—頻率轉(zhuǎn)化電路),、時(shí)鐘振蕩器(或恒脈寬發(fā)生器),、基極驅(qū)動(dòng)電路、過壓過流保護(hù)電路以及輔助電源等電路組成,。存在著電路復(fù)雜,，功耗大，靈敏度差,，不能實(shí)現(xiàn)很好的控制等缺點(diǎn),。
采用單片機(jī)89C51模塊組成的控制電路，它具有可編程,、功能強(qiáng),、控制簡單、集成度高等諸多優(yōu)點(diǎn),，并對原來的電路存在的不足進(jìn)行改進(jìn),，其原理方框圖如圖2所示?！ ?/p>
圖2單片機(jī)控制電源結(jié)構(gòu)圖
本智能開關(guān)電源利用通信用開關(guān)電源的基礎(chǔ)電路,，以高性能單片機(jī)89C51為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理電路,，在檢測與控制軟件支持下,，通過對開關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較,，從而調(diào)整和控制開關(guān)功率管的工作狀態(tài),，同時(shí)監(jiān)測輸出電流大小，進(jìn)行電流控制,。其電路的工作原理為:市電經(jīng)整流濾波,、功率校正電路PFC(Power Factor Correct)變成直流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在脈沖寬度調(diào)制電路(PWM)和單片機(jī)的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓,。用戶可根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)定開關(guān)電源輸出的電壓值及最大輸出電流值,，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)對電源輸出電壓和電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，然后根據(jù)設(shè)置的調(diào)整算法控制開關(guān)調(diào)整電路,，使電源輸出電壓符合給定值。單片機(jī)在調(diào)整電源輸出電壓的同時(shí)還要檢測電路的輸出電流,，當(dāng)輸出電流超過給定值時(shí),，就啟動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,。為了使智能開關(guān)電源能可靠,、安全地工作，本系統(tǒng)設(shè)置了多重監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng),，主要包括過流保護(hù)和短路保護(hù),。單片機(jī)系統(tǒng)通過電流傳感器檢測開關(guān)功率管的輸出電流，當(dāng)電流超過給定值,，單片機(jī)系統(tǒng)切斷開關(guān)激勵(lì)信號(hào)并發(fā)出聲光報(bào)警,，并對電池工作狀況實(shí)施檢測。
控制電路
控制電路采用ATMEL公司的89C51單片機(jī),，擴(kuò)展了A/D,、D/A、鍵盤顯示,、RS232通訊口電路,。原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3控制電路原理結(jié)構(gòu)圖
控制系統(tǒng)通過I/O輸入端口經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換控制功率轉(zhuǎn)換的開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間,，完成對輸出電壓的穩(wěn)定,，通過A/D轉(zhuǎn)換完成對開關(guān)電源輸出電壓和電流的采樣，通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了過壓,、過流保護(hù)及限流功能,。同時(shí)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，開關(guān)電源工作時(shí),，采用電壓反饋由PWM控制實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)壓功能,，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán);在電池充電或過載時(shí)采用電流信號(hào)作為反饋，控制電池的充放電電流并實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)的功能,。為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出,，把單片機(jī)的高頻脈沖信號(hào)分頻后變成適宜的開關(guān)脈沖信號(hào),，作為89C51的計(jì)數(shù)脈沖和門控信號(hào)。單片機(jī)把給定值與傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行比較,，產(chǎn)生誤差信號(hào),。根據(jù)電壓控制算法設(shè)置89C51產(chǎn)生不同占空比(0～90%)的方波信號(hào)，經(jīng)過光電耦合器控制開關(guān)調(diào)整電路電壓輸出,。輸出端與開關(guān)電路進(jìn)行光電隔離,，從而避免了來自開關(guān)電源電路的騷擾信號(hào)對單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的影響。
鑒于受控的開關(guān)電路輸出電壓的高精度和快速調(diào)整特性,，可采用改進(jìn)的PID控制算法,，該算法具有電壓調(diào)整快、超調(diào)量小,、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),。鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數(shù)碼管,，3個(gè)LED指示燈以及16個(gè)鍵構(gòu)成,，其中4位數(shù)碼管顯示電源電壓，4位數(shù)碼管顯示電流,，3個(gè)LED指示燈作為報(bào)警顯示,。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本軟件主要完成對信號(hào)采樣，各種數(shù)據(jù)處理,、以及對功率轉(zhuǎn)換部分的控制等,。本系統(tǒng)軟件主要包括鍵開關(guān)掃描程序、故障判別子程序,、均充及浮充子程序,、中斷檢測子程序和通信子程序等。主程序流程圖如圖4所示,。
圖4 主程序流程圖
在初始化過程中,，先是將89C51各個(gè)輸入端口復(fù)位，然后從EEROM中讀出上次關(guān)機(jī)前存入的數(shù)據(jù),，控制開關(guān)電路,，并進(jìn)行顯示。初始化完成后,，開中斷程序,。若有中斷請求則響應(yīng)，否則進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并讀取給定值,，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;若有短路或過流情況發(fā)生,，則調(diào)用報(bào)警保護(hù)子程序;若要對電池浮一定的動(dòng)態(tài)性，能在一定程度上反映出電池內(nèi)部的變化及SoC的大小,，但該方法在推導(dǎo)過程中是假設(shè)電流是時(shí)變的,，若電池在一個(gè)較長時(shí)間段內(nèi)恒流放電,，則會(huì)大大降低SoC預(yù)測的準(zhǔn)確性?；跔顟B(tài)空間的動(dòng)態(tài)模型以反應(yīng)物的動(dòng)態(tài)變化建立模型,，以測量的電流和電壓作為輸入量計(jì)算SoC，同時(shí)考慮了活性物質(zhì)的擴(kuò)散現(xiàn)象,，以此提高SoC的精度，是一種較好的方法,；但由于電池模型階數(shù)較高,，計(jì)算比較困難，模型的建立需要確定相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),，給應(yīng)用帶來較大麻煩,。
基于能量模型的SoC定義修正了原來SoC模型的不足，考慮到電池的可恢復(fù)性,，綜合了電流,、電壓、電阻判斷,，在一定程度上提高了SoC的判斷精度,，但它沒考慮溫度的影響，需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),。由于電池是密封的,，所以外部可測參數(shù)只有電流和電壓，采用Randels Ershler電池模型對電池建模,，并通過精確的安時(shí)積分估算SoC,，同時(shí)進(jìn)行容量老化補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償,、自放電補(bǔ)償及放電率補(bǔ)償,，也不失為一種可行的方法。
上述方法能夠在一定程度上反映剩余電量的多少,，適用于電動(dòng)車用電池SoC的預(yù)測,，但是這些模型參數(shù)確定需要許多反復(fù)的迭代步驟，并且重要的是,，這些算法必須知道電池的SoC初值,。因?yàn)橐獙?shí)時(shí)計(jì)算顯示SoC的值，這是需要時(shí)間的,。模型越復(fù)雜,，計(jì)算SoC所需時(shí)間也越多。SoC的預(yù)測方法很多,，但要達(dá)到較高的精度,，在電池建模及SoC預(yù)測方法方面還有大量的工作可做,。