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【摘 要】 本文重点对单片机开关电源的设计和控制进行了分析，希望能够给读者提供一些参考。
【关键词】 单片机;开关电源;设计;控制
一、前言
开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，在各领域广泛应用。特别是当前新电子元件的应用，开关电源技术更是向着可靠性和智能化的方向发展。
二、开关电源模拟控制的种类与特点
开关电源的模拟控制方法已经使用了数十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3种：脉冲宽度调制方式PWM、脉冲频率调制方式PFM和混合调制方式。以脉宽调制式（PWM）开关为例，电源AC220V，输入电压经过整流滤波后变成直流电压U，再由功率开关管斩波、高频变压器降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器，获得所需要的直流输出电压Uo。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。这种模拟控制电路因为使用元器件多而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随着使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，并对系统稳定性和响应能力造成负面影响，不利于模拟系统的测试和维修。另外，模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应。
三、开关电源数字控制的特点与应用
所谓电源的数字控制，也称为“回路内部的处理器”，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法。它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比较器。它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息加传至系统。
数字控制电源系统有以下特点：
1、以数字信号处理器DSP或单片机为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。
2、采用“整合数字电源”技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。
3、高集成度，实现了电源系统单片集成化，将大量的分立元器件整合到一个芯片或一组芯片中。
4、能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。这种技术可用于负载时间恒定的应用中，使电源运行在高频状态，如功率因数校正、非中断电源、多个化学电池译电和电机控制;还可用于采用若干可配置的PWM内核及控制、诊断和接口电路的手机以及PDA的PMU等其他应用。运行时间控制电路中的子电路或外设可为其电流状态提供最适宜的运行电压，以达到节能。数字电源控制可使调节器更加灵敏。
四、基于单片机控制的开关电源的可选设计方案
由单片机控制的开关电源，从对电源输出的控制来说，可以有三种控制方式，因此，可供选择的设计方案有三种：
1、单片机输出一个电压（经D/AC芯片或PWM方式），用作开关电源的基准电压。这种方案仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压，可以用按键设定电源的输出电压值，单片机并没有加入电源的反馈环，电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。
2、单片机和开关电源专用PWM芯片相结合。此方案利用单片机扩展A/D转换器，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整D/A转换器的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节，单片机的程序要采用比较复杂的PID算法。
3、單片机直接控制型。即单片机扩展A/DC，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出PWM波，直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。
三种方案比较：第一种方案：单片机输出一个电压（经D/AC芯片或PWM方式），用作开关电源的基准电压。这种方案中，仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压，没有什么实际性的意义。
第二种方案：由单片机调整D/AC的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方案中单片机可以只是完成一些弹性的模拟给定，后面则由开关电源专用PWM芯片完成一些工作。在这种方案中，对单片机的要求不是很高，51系列单片机已可胜任;从成本上考虑，51系列单片机和许多PWM控制芯片的价格低廉;另外，此方案充分解决了由单片机直接控制型的开关电源普遍存在的问题——由于单片机输出的的PWM脉冲频率低，导致精度低，不能满足要求的问题。因此，单片机和PWM芯片相结合，是一种完全可行的方案。
第三种方案：是最彻底的单片机控制开关电源，但对单片机的要求也高。要求单片机运算速度足够快，且能输出足够高频率的PWM波。DSP类单片机速度够快，但价格也很高，占电源总成本的比例太大，不宜采用。廉价单片机中，AVR系列最快，具有PWM输出，但AVR单片机的工作频率仍不够高，只能是勉强使用。
五、基于89c51单片机控制的开关电源
下面举出一个基于此最优方案下的实例，本实例根据典型PWM芯片TL494的应用特点，设计了一种基于单片机89c51辅助控制的正向变换器方式开关电源。
1、工作原理
（1）电源软起动的实现正向变换器方式的开关电源在输入电压接通时，会产生极强的充电电流，因此需要通过软起动使输出电压平缓地上升。TL494具有软起动功能，只要在4脚与14脚间接上电容器，即可使得ton慢慢扩宽，从而实现软起动。
（2）输出电压的可调整与稳压控制开关电源是借助晶体管的开/关（ON/OFF）来实现能量交换的，其输出控制，由晶体管的导通时间决定，常用的方法是采用PWM控制，具体的方法是控制晶体管导通的占空比。即：控制脉冲信号的频率已定（周期已定），调整占空比就是调整脉冲有效电平的宽度。比如：要提高输出电压，只需调宽控制脉冲有效电平的宽度即可。同理，其稳压原理也是基于此。
【关键词】 单片机;开关电源;设计;控制
一、前言
开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，在各领域广泛应用。特别是当前新电子元件的应用，开关电源技术更是向着可靠性和智能化的方向发展。
二、开关电源模拟控制的种类与特点
开关电源的模拟控制方法已经使用了数十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3种：脉冲宽度调制方式PWM、脉冲频率调制方式PFM和混合调制方式。以脉宽调制式（PWM）开关为例，电源AC220V，输入电压经过整流滤波后变成直流电压U，再由功率开关管斩波、高频变压器降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器，获得所需要的直流输出电压Uo。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。这种模拟控制电路因为使用元器件多而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随着使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，并对系统稳定性和响应能力造成负面影响，不利于模拟系统的测试和维修。另外，模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应。
三、开关电源数字控制的特点与应用
所谓电源的数字控制，也称为“回路内部的处理器”，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法。它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比较器。它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息加传至系统。
数字控制电源系统有以下特点：
1、以数字信号处理器DSP或单片机为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。
2、采用“整合数字电源”技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。
3、高集成度，实现了电源系统单片集成化，将大量的分立元器件整合到一个芯片或一组芯片中。
4、能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。这种技术可用于负载时间恒定的应用中，使电源运行在高频状态，如功率因数校正、非中断电源、多个化学电池译电和电机控制;还可用于采用若干可配置的PWM内核及控制、诊断和接口电路的手机以及PDA的PMU等其他应用。运行时间控制电路中的子电路或外设可为其电流状态提供最适宜的运行电压，以达到节能。数字电源控制可使调节器更加灵敏。
四、基于单片机控制的开关电源的可选设计方案
由单片机控制的开关电源，从对电源输出的控制来说，可以有三种控制方式，因此，可供选择的设计方案有三种：
1、单片机输出一个电压（经D/AC芯片或PWM方式），用作开关电源的基准电压。这种方案仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压，可以用按键设定电源的输出电压值，单片机并没有加入电源的反馈环，电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。
2、单片机和开关电源专用PWM芯片相结合。此方案利用单片机扩展A/D转换器，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整D/A转换器的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节，单片机的程序要采用比较复杂的PID算法。
3、單片机直接控制型。即单片机扩展A/DC，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出PWM波，直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。
三种方案比较：第一种方案：单片机输出一个电压（经D/AC芯片或PWM方式），用作开关电源的基准电压。这种方案中，仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压，没有什么实际性的意义。
第二种方案：由单片机调整D/AC的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方案中单片机可以只是完成一些弹性的模拟给定，后面则由开关电源专用PWM芯片完成一些工作。在这种方案中，对单片机的要求不是很高，51系列单片机已可胜任;从成本上考虑，51系列单片机和许多PWM控制芯片的价格低廉;另外，此方案充分解决了由单片机直接控制型的开关电源普遍存在的问题——由于单片机输出的的PWM脉冲频率低，导致精度低，不能满足要求的问题。因此，单片机和PWM芯片相结合，是一种完全可行的方案。
第三种方案：是最彻底的单片机控制开关电源，但对单片机的要求也高。要求单片机运算速度足够快，且能输出足够高频率的PWM波。DSP类单片机速度够快，但价格也很高，占电源总成本的比例太大，不宜采用。廉价单片机中，AVR系列最快，具有PWM输出，但AVR单片机的工作频率仍不够高，只能是勉强使用。
五、基于89c51单片机控制的开关电源
下面举出一个基于此最优方案下的实例，本实例根据典型PWM芯片TL494的应用特点，设计了一种基于单片机89c51辅助控制的正向变换器方式开关电源。
1、工作原理
（1）电源软起动的实现正向变换器方式的开关电源在输入电压接通时，会产生极强的充电电流，因此需要通过软起动使输出电压平缓地上升。TL494具有软起动功能，只要在4脚与14脚间接上电容器，即可使得ton慢慢扩宽，从而实现软起动。
（2）输出电压的可调整与稳压控制开关电源是借助晶体管的开/关（ON/OFF）来实现能量交换的，其输出控制，由晶体管的导通时间决定，常用的方法是采用PWM控制，具体的方法是控制晶体管导通的占空比。即：控制脉冲信号的频率已定（周期已定），调整占空比就是调整脉冲有效电平的宽度。比如：要提高输出电压，只需调宽控制脉冲有效电平的宽度即可。同理，其稳压原理也是基于此。