一种基于TNY280的数控开关电源的制作方法

本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及了一种基于TNY280的数控开关电源的设计。

背景技术：

开关电源自十九世纪八十年代开始发展，到现在已经获得了较好的应用效果，但仍然存在着精度低、效率低、可靠性差等缺点。传统直流电源大部分是线性电源，主要采用模拟控制方法，通过比较器、调节器来控制输出电压，电源的输出功率受到了一定的限制，且效率不高，一旦成型将难以更改，不利于集成化。数控开关电源采用数控制技术克服了以上缺点，提高了电源工作的稳定性。例如公开号为CN208272854的实用新型，公开了一种基于MC34063IC高电压输入开关电源电路，包括脉宽调制高压开关电路，滤波电路，采样电路，MC34063IC控制电路,电源电路和高压启动电路，所述脉宽调制高压开关电路，用于将输入电压降压后输出；该滤波电路，用于对输入电压进行滤波；该采样电路，用于对输入信号电压的采集，所述MC34063IC控制电路，通过MC34063IC控制高压驱动电路将低压信号转换为高压信号；该电源电路，用于对MC34063IC控制电路供电。以及公开号为CN208209819的实用新型，公开了一种开关电源，包括：脉宽控制电路，用于产生脉冲控制信号；变压电路；开关电路，用于根据所述脉冲控制信号导通或关断，以将流过变压电路的初级线圈的输入直流电改变为输入交流电；第一输出整流滤波电路，用于对变压电路的第一次级线圈产生的第一输出交流电进行整流和滤波，以产生第一输出直流电；反馈电路，用于根据第一输出直流电产生反馈信号；其中，脉宽控制电路还用于在反馈信号的电流幅值大于或等于预设电流阈值时产生预设时间段，在预设时间段内根据所述反馈信号控制脉冲控制信号的占空比，以及在预设时间段结束时使得脉冲控制信号控制开关电路关断，以使得变压电路的第一次级线圈停止产生第一输出交流电。上述的两种开关电源无法及时迅速的对输出的直流电进行控制，从而改变直流电的参数，并且控制精度不高，无法满足实验室使用需求。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中无法精确及时的控制输出的缺点，提供了一种基于TNY280的数控开关电源。

本数控开关电源基于TNY280电源芯片，采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心进行开发。供电采用220V交流电源，由按键设定所需的输出电压，分度值为0.1V，由采样电路获得的输出电压和电流反馈给单片机进行PID调节和过载保护。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种基于TNY280的数控开关电源，包括单片机控制电路、主体电源电路和电压电流采样电路，单片机控制电路用于向主体电源电路输出PWM信号，调节控制主体电源电路输出电压；主体电源电路用于接收单片机控制电路信号，将输入的交流电转换为直流电后向外输出；电压电流采样电路用于采集主体电源电路的输出电压和输出电流，将采集到的数据传输至单片机控制电路；主体电源电路包括整流滤波电路、功率变换电路和输出电路，功率变换电路包括TNY280电源芯片、功率变压器T1、光耦PC817和可控稳压二极管D12，TNY280电源芯片与功率变压器T1原边线圈连接，TNY280电源芯片与光耦PC817受光件连接，光耦PC817发光件与可控稳压二极管D12连接；单片机控制电路与功率变换电路连接，向功率变换电路输出PWM信号来控制可控稳压二极管D12通断；整流滤波电路与功率变压器T1原边线圈连接，输出电路与功率变压器T1副边线圈连接。

TNY280负责AC-DC变换任务，其内部集成了700V的MOSFET，132kHz的振荡器。光耦PC817配合可控稳压二极管D12构成精密反馈电路，对主体电源输出进行调整。T1为多级变压器，负责主体电源的降压工作。TNY280的输出受控于光耦PC817，而光耦的通断与可控稳压二极管D12相关。因此，通过控制TL431的击穿电压，就可以控制该开关电源的输出电压。

作为优选，功率变换电路还包括二极管D9和电容C4，TNY280电源芯片D引脚与二极管D9负极连接，二极管D9正极与功率变压器T1原边线圈连接；TNY280电源芯片BP引脚与电容C4连接，电容C4另一端与TNY280电源芯片S引脚连接，电容C4和TNY280电源芯片S引脚之间引出接线与整流滤波电路连接；TNY280电源芯片EN引脚与光耦PC817受光件连接。

作为优选，输出电路包括电感L1、电容C7、C8、C9和C10，电感L1、电容C7、C8、C9和C10共同构成π型滤波电路。π型滤波电路用于进一步稳定输出。

作为优选，功率变换电路还包括电阻R3和R4，光耦PC817发光件负极串联电阻R3后与输出电路连接，正极与可控稳压二极管D12正极连接，可控稳压二极管D12正极负极接地；电阻R4与光耦PC817发光件和电阻R3并联。

作为优选，功率变换电路还包括电阻R5、R6、R7、R8、R9和电容C11、C12、C13，电阻R5、R6、R7依次连接，电阻R7分别与电容C11、电阻R9和电容C13并联，电阻R8和R9连接，电容C12和C13连接，电阻R8和电容C12并联，电阻R7接地；电阻R5与输出电路连接，电阻R5和R6之间引出接线与可控稳压二极管D12连接，电阻R8和电容C12之间引出接线与单片机控制电路连接，接入PWM信号。

作为优选，电压电流采样电路包括电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15，电容C14、C15和运算放大器，电阻R10、R11、R12和R13依次连接，电容C14与电阻R11并联，电阻R11和R12之间引出接线接地，电阻R10和R11之间引出接线与单片机控制电路连接；电阻R13与运算放大器正输入端连接，运算放大器负输入端与电阻R14连接，电阻R14接地，运算放大器和电阻R14之间引出接线连接电阻R15，电阻R15与运算放大器输出端连接，电容C15连接在运算放大器接地端和输出端之间；运算放大器输出端与单片机控制电路连接，电阻R10与输出电路连接，接入直流电正极，电阻R12和R13之间引出接线接入直流电负极。

R10与R11串联后并接到输出端，R11上端电压值输出到单片机P1.0口作为电压采样值，其分压比为R11/(R11+R12)，C14、C15为抗干扰电容。输出低电位端串联电流采样电阻R12，作为实际输出的负极，R12把输出电流值转换为电压值，送入单片机P1.1口，供单片机识别相应的电流值。将其电阻值设置的较小，对输出电压几乎无影响，但是采集的电压较小，需采用运算放大器进行放大，其放大倍数为1+R15/R14。

作为优选，还包括按键电路和显示电路，按键电路和显示电路分别与单片机控制电路连接。

单片机控制电路由STC12C5A60S2单片机作为主控制器，在众多的51内核单片机中，STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K的FLASH ROM，是高速、低功耗、超强抗干扰的经济型单片机，它自带2路PWM，内部集成8路高速10位A/D转换，满足该设计的控制要求。按键电路包括4个按键，分别为设置键、加键、减键、确认键，可实现对输出电压进行改变的功能。显示电路包括液晶显示器，实时地显示出当前的输入电压、输出电压与输出电流值。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：电源输出电压可及时精确调节，输出波纹较小，运行稳定，无噪音，电源平均工作效率达到80％。成本低廉，结构轻巧，界面友好，容易操作，可应用于自控设备中，适用面广。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1的主体电源电路结构示意图。

图3是本实用新型实施例2的单片机控制电路结构示意图。

图4是本实用新型实施例3的电压电流采样电路结构示意图。

图5是本实用新型实施例3的算法控制原理示意图。

图6是本实用新型实施例3的控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1

一种基于TNY280的数控开关电源，包括单片机控制电路、主体电源电路和电压电流采样电路，单片机控制电路用于向主体电源电路输出PWM信号，调节控制主体电源电路输出电压；主体电源电路用于接收单片机控制电路信号，将输入的交流电转换为直流电后向外输出；电压电流采样电路用于采集主体电源电路的输出电压和输出电流，将采集到的数据传输至单片机控制电路；主体电源电路包括整流滤波电路、功率变换电路和输出电路，功率变换电路包括TNY280电源芯片、功率变压器T1、光耦PC817和可控稳压二极管D12，TNY280电源芯片与功率变压器T1原边线圈连接，TNY280电源芯片与光耦PC817受光件连接，光耦PC817发光件与可控稳压二极管D12连接；单片机控制电路与功率变换电路连接，向功率变换电路输出PWM信号来控制可控稳压二极管D12通断；整流滤波电路与功率变压器T1原边线圈连接，输出电路与功率变压器T1副边线圈连接。

功率变换电路还包括二极管D9和电容C4，TNY280电源芯片D引脚与二极管D9负极连接，二极管D9正极与功率变压器T1原边线圈连接；TNY280电源芯片BP引脚与电容C4连接，电容C4另一端与TNY280电源芯片S引脚连接，电容C4和TNY280电源芯片S引脚之间引出接线与整流滤波电路连接；TNY280电源芯片EN引脚与光耦PC817受光件连接。

功率变换电路还包括电阻R3和R4，光耦PC817发光件负极串联电阻R3后与输出电路连接，正极与可控稳压二极管D12正极连接，可控稳压二极管D12正极负极接地；电阻R4与光耦PC817发光件和电阻R3并联。

功率变换电路还包括电阻R5、R6、R7、R8、R9和电容C11、C12、C13，电阻R5、R6、R7依次连接，电阻R7分别与电容C11、电阻R9和电容C13并联，电阻R8和R9连接，电容C12和C13连接，电阻R8和电容C12并联，电阻R7接地；电阻R5与输出电路连接，电阻R5和R6之间引出接线与可控稳压二极管D12连接，电阻R8和电容C12之间引出接线与单片机控制电路连接，接入PWM信号。

实施例2

一种基于TNY280的数控开关电源，包括单片机控制电路、主体电源电路和电压电流采样电路，单片机控制电路用于向主体电源电路输出PWM信号，调节控制主体电源电路输出电压；主体电源电路用于接收单片机控制电路信号，将输入的交流电转换为直流电后向外输出；电压电流采样电路用于采集主体电源电路的输出电压和输出电流，将采集到的数据传输至单片机控制电路；主体电源电路包括整流滤波电路、功率变换电路和输出电路，其特征在于：功率变换电路包括TNY280电源芯片、功率变压器T1、光耦PC817和可控稳压二极管D12，TNY280电源芯片与功率变压器T1原边线圈连接，TNY280电源芯片与光耦PC817受光件连接，光耦PC817发光件与可控稳压二极管D12连接；单片机控制电路与功率变换电路连接，向功率变换电路输出PWM信号来控制可控稳压二极管D12通断；整流滤波电路与功率变压器T1原边线圈连接，输出电路与功率变压器T1副边线圈连接。

还包括按键电路和显示电路，按键电路和显示电路分别与单片机控制电路连接。其余皆与实施例1相同。

实施例3

一种基于TNY280的数控开关电源，包括单片机控制电路、主体电源电路和电压电流采样电路，单片机控制电路用于向主体电源电路输出PWM信号，调节控制主体电源电路输出电压；主体电源电路用于接收单片机控制电路信号，将输入的交流电转换为直流电后向外输出；电压电流采样电路用于采集主体电源电路的输出电压和输出电流，将采集到的数据传输至单片机控制电路；主体电源电路包括整流滤波电路、功率变换电路和输出电路，功率变换电路包括TNY280电源芯片、功率变压器T1、光耦PC817和可控稳压二极管D12，TNY280电源芯片与功率变压器T1原边线圈连接，TNY280电源芯片与光耦PC817受光件连接，光耦PC817发光件与可控稳压二极管D12连接；单片机控制电路与功率变换电路连接，向功率变换电路输出PWM信号来控制可控稳压二极管D12通断；整流滤波电路与功率变压器T1原边线圈连接，输出电路与功率变压器T1副边线圈连接。

功率变换电路还包括二极管D9和电容C4，TNY280电源芯片D引脚与二极管D9负极连接，二极管D9正极与功率变压器T1原边线圈连接；TNY280电源芯片BP引脚与电容C4连接，电容C4另一端与TNY280电源芯片S引脚连接，电容C4和TNY280电源芯片S引脚之间引出接线与整流滤波电路连接；TNY280电源芯片EN引脚与光耦PC817受光件连接。

输出电路包括电感L1、电容C7、C8、C9和C10，电感L1、电容C7、C8、C9和C10共同构成π型滤波电路。

功率变换电路还包括电阻R3和R4，光耦PC817发光件负极串联电阻R3后与输出电路连接，正极与可控稳压二极管D12正极连接，可控稳压二极管D12正极负极接地；电阻R4与光耦PC817发光件和电阻R3并联。

功率变换电路还包括电阻R5、R6、R7、R8、R9和电容C11、C12、C13，电阻R5、R6、R7依次连接，电阻R7分别与电容C11、电阻R9和电容C13并联，电阻R8和R9连接，电容C12和C13连接，电阻R8和电容C12并联，电阻R7接地；电阻R5与输出电路连接，电阻R5和R6之间引出接线与可控稳压二极管D12连接，电阻R8和电容C12之间引出接线与单片机控制电路连接，接入PWM信号。

电压电流采样电路包括电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15，电容C14、C15和运算放大器，电阻R10、R11、R12和R13依次连接，电容C14与电阻R11并联，电阻R11和R12之间引出接线接地，电阻R10和R11之间引出接线与单片机控制电路连接；电阻R13与运算放大器正输入端连接，运算放大器负输入端与电阻R14连接，电阻R14接地，运算放大器和电阻R14之间引出接线连接电阻R15，电阻R15与运算放大器输出端连接，电容C15连接在运算放大器接地端和输出端之间；运算放大器输出端与单片机控制电路连接，电阻R10与输出电路连接，接入直流电正极，电阻R12和R13之间引出接线接入直流电负极。

还包括按键电路和显示电路，按键电路和显示电路分别与单片机控制电路连接。其余皆与实施例1相同。

本实施例中，系统由STC12C5A60S2作为主控制器，在众多的51内核单片机中，STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K的FLASH ROM，是高速、低功耗、超强抗干扰的经济型单片机，它自带2路PWM，内部集成8路高速10位A/D转换，满足该设计的控制要求。显示电路包括LCD1602型号液晶显示器，实时地显示出当前的输入电压、输出电压与输出电流值。

可控稳压二极管D12型号为TL431，设Uref为可控稳压二极管D12的参考极对地电压，约为2.5V，无激励时，其稳压输出值Up如下式：

PWM信号对D12外加激励电压UR7，计算修正得D12的稳压值Up’如下式：

通过改变UR7的值即可实现对输出稳压值的调节。PWM信号由单片机直接输出，其调节范围为0-5V，经过电阻R8、R9分压，使得UR7调节范围为0-2.5V。

电压电流采样电路中，R10与R11串联后并接到输出端，R11上端电压值输出到单片机P1.0口作为电压采样值，其分压比为R11/(R11+R12)≈0.13，C14、C15为抗干扰电容。输出低电位端串联电流采样电阻R12，作为实际输出的负极，R12把输出电流值转换为电压值，送入单片机P1.1口，供单片机识别相应的电流值。由于其电阻值较小，仅0.05Ω，对输出电压几乎无影响，但是采集的电压较小，需采用运算放大器进行放大，运算放大器选用LM358型号，其放大倍数为1+R15/R14＝25。

数控开关电源由按键设定输出电压r(t)，单片机控制电路给出相应的PWM信号输出，主体电源电路对应输出适当电压值，此数据通过电压电流采样电路反馈给单片机，单片机采用内部集成的AD进行转换，得到测量值，与设定值r(t)进行比较得到偏差е(t)，再计算出控制量u(t)。最后得到可靠正确的被控输出量y(t)，实时进行微调节。

上述的控制规律可用以下式表达：

其屮，Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

对其进行离散化处理，得到下式：

控制量u(k)的每次输出都与整个过去状态有关，式中要用到上次偏差的累加值，容易产生比较大的累计偏差，可利用增量式控制算法来实现。可得：

将两式相减得：

该算法只要当前与过往3个时间的偏差值就能计算出控制量和增量，能够有效避免计算误差和精度带来对控制量的影响。

在软件控制过程中，忽略其微分分量，则模拟PI控制的式为：

离散化为：

其中，KP为比例系数，KI为积分系数，则增量式PI算法表达为：

△u(k)＝u(k)-u(k-1)＝KP[e(k)-e(k-1)]+KITSe(k)＝n0e(k)+n1e(k)

其中n0和n1为调节参数。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。