基于ARM的智能数字开关电源设计

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。[!--empirenews.page--]

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P01>150 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L>340μH，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。[!--empirenews.page--]

    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。
    采用SC344BOX所设计的系统，几乎所有的指令都可以在20 ns内完成，配合强大的指令运算功能，很容易实现各种控制算法及高速采样，为了减小系统的静差，采用了闭环来实现对整个系统的控制。
    该电源系统中ARM的主要功能及软件实现如下：
    ①产生PWM波。PWMl用于对BUCK电路中的IGBT的驱动。根据输出采样，设定和调整定时器中周期寄存器的值和比较寄存器中的值来改变输出PWMl波的周其期和脉冲宽度。PWM2，PWM3设定周期为50 kHz的彼此交互的方波。
    ②实时采样。采用SC34480X中集成的8路10位的ADC转换电路实现电压、电流实时采样，每一通道的最小转换时间为500ns，通过采样模块MAXl22，将采样信号转换为2407的ADC所需的O～3．3V电平，在1个开关周期中，将采样80次(开关频率为50kHz)，采样后，通过软件编程调整驱动BUCK中电路中的IGBT管的PWMl波形，达到稳压的目的，同时当输出电压、电流过高或欠压时，ARM调用相应的子程序来处理突发事件，起到保护作用。
    ③软件编程时设置看门狗电路防止死机。

4 结语
    本文在上述分析的基础上，设计出一台基于ARM智能数字控制技术的开关电源。电源的指标满足性能要求：输出电压连续可调、纹波系数低于0．5％、输出电压稳定度小于O．3％。该电源现已投入使用，运行良好。