第３３卷第５期 绵阳师范学院学报 Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．５ ２０１４年５月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍａｙ．，２０１４ 隔离电源系统设计 彭仁明，戈龙 （绵阳师范学院物理与电子工程学院，四川绵阳６２１０００） 摘要：该文提出了一种输入电压２２Ｖ～６０Ｖ，输出电压１２Ｖ、输出电流１Ａ的电源适配器设计方案，同时可通 过远程上位机控制其工作状态．该系统主要由输入部分、控制部分和输出部分组成．ＳＴＣ８９Ｃ２０５１作为主控单片机， 功率输出部分采用开关电源，其内部资源集成ＲＳ２３２通信协议，可以实现远程数据发送和接收控制命令．经过实验 测试，完全达到了设计的要求． 关键词：隔离电源；远程控制；ＳＴＣ８９Ｃ２０５１；ＲＳ２３２ 中图分类号：ＴＮ８６；ＴＭ１３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－６１２ｘ（２０１４）０５－－００１７－０５ ０ 引言 电源在电子系统中的作用非常重要．国内外隔离电源方案有很多种 ，很多公司也研发出了控制隔离 电源的Ｉｃ芯片，其通过高度集成的电路产生ＰＷＭ方波控制开关电源的开关时间比率，稳定输出电压 ． 对于 程控制功 程控制端 一直处于 源依然有 本文提出 供电时或 电源处于 池能量． １系统方案设计 图１系统框图 Ｆｉｇ．１ Ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｒｔ 系统框图如图１，隔离电源系统主要由功率 输出部分，远程控制电路部分组成．前级输入电路可以接受２２Ｖ～６０Ｖ的范围电压输入，经过反激式拓扑的 高频变压器的能量变换后可向后级输出１２Ｖ一１Ａ的功率，同时加入了远程控制接口电路，实现上位机通过 相应的命令控制下位机的开启和关闭． ２硬件设计 ２．１反激式高频变压器设计 反击式高频变压器开关电源的主要设计思路是通过控制线路中开关的时间比率来稳定后级的输出功 率，其主要设计包括开关控制、反馈、电气隔离，综合反激式隔离电源的需求．远程控制电路通过控制驱动 电路的ＰＷＭ输出来实现控制整个电源的开启和关闭功能 ． 高频变压器是一个能量存储线圈．在高频变压器初级导通时能量存储在磁芯的气隙之中，高频变压器 作者简介：彭仁明（１９６９一），男，四川广安人，硕士，副教授．研究方向：电子信息技术 第３３卷 绵阳师范学院学报（自然科学版） ・１８・ 初级关断期间存储在气隙的能量就向外部负载传输．反激式高频变压器开关电源的主要优势在于其成本 低，电路简单，反激式拓扑在ＩＯＯＷ内的系统是首选的 ］． １）变压器磁芯选择 开关电源输出功率： Ｐ＝（Ｉ，０ ＋Ｉ，ｏＬ）／ｒ／＝（１２×１＋１３×０．１）／７０％＝２０ Ｗ 磁芯材料选择锰一锌铁氧体，其饱和磁感应强度为：５０００Ｇｓ，相对磁导率为： ＝３００～５０００，最大磁通 密度取：曰 ＝０．３Ｔ．当磁芯中磁感应强度小于 时，磁芯的相对磁导率可取：ｔｚ，＝２０００，磁芯磁导率为： ＝ ０＝２０００×４７ｒ×１０一 ＝８７ｒ×１０一 （Ｎ／Ａ ） 为真空中的磁导率．高频变压器的最大承受功率Ｐｏ（ｍａｘ）与磁芯截面积Ａｅ和窗口面积的面积积 Ａｗ之间存在如下关系： Ａ ＝元 ２ ＰＤｍｉｎ＝６＿ 石石石 芎 苦＿ｌ ｜＿ 式中：窗口利用系数Ｋｗ＝０．３，绕组电流密度Ｋ＝３ Ａ／ｍｍ ． 面积Ａ ＝３１．０ ｍｍ ，有效磁路长度Ｌ ＝４７．０ ｍｍ． ２）原边匝数计算 一。 ２ｆ８ Ａ 。 ＝７８７．５ ｍｍ４ 综上所述，选取贴片式ＦＥＤ２０磁芯，其Ａ Ａ ＝８４３ ｍｍ ，满足功率输出的能力要求．ＦＥＤ２０磁芯的有效 ： ２ ２０００００ ０ １ １０ ８．８７（匝） × ×．３×３． × 一 、 ＝因为匝数需要取整数，所以Ｎ，＝９（匝）． ３）原边最大电流 ／／＝—３Ｐ—ｌｉｎｍａｘ ２Ｖ —ｍｉｎ＇—ｑＤｍａｘ ＝ 丽（Ａ） ３．９０Ａ －４）次绕组匝数计算 Ⅳ２ 一： ＿５．２（［ｆ－ｉ） 般留一定的安全裕量，所以此处Ｎ 取７匝． ５）自馈绕组匝数计算 Ⅳ３＝Ⅳ２ －７× －７．５５￣８（匝） ６）磁路间隙计算 ： Ｂ ７）各绕组线径计算 一 ＝ｅ＝ －Ｉ＿ ＿＝０ ３ ， ．一 ２０００ ＝０．１２ ｍｍ— 根据线径大小与电流大小的关系式： ｄ＝１．１３ ，／．，（‘，为电流密度，取４ Ａ／ｍｍ ） ‘在高频变压器中，为了减小线圈中的趋肤效应，多采用多线并绕的方式，即综合变压器的体积及经验 值，选取初级绕组为３线并绕，次级绕组为４线并绕，自馈绕组电流较小，采用２线并绕．所以： 初级绕组的线径为：ｄ。＝１．１３ ，／∥３＝１．１３× １．１／４／３＝０．２ ｍｍ 次级绕组的线径为：ｄ。＝１．１３￣／，０ ／．，／４＝１．１３× １．５／４／４＝０．１７ ｍｍ 自馈绕组的线径为：ｄ２＝１．１３￣／ ３＝１．１３× １．１／４／３＝０．３ ｍｍ 由计算可知：０．２ ｍｍ的线径满足所需要求，为了绕制变压器方便，所以统一采用０．２ ｍｍ的线径作为 高频变压器各绕组的线径大小． ・１９・ 彭仁明等：隔离电源系统设计 第５期 ２．２电源控制电路设计 驱动电路主要采用集成Ｉｃ芯片ＩｘＰＣ１０９９．ＩｘＰＣ１０９９是一款高性能的开关电源控制芯片，其内部同时集 成了过压保护电路．此外，ｐ￣ＰＣ１０９９的启动电压低至１１Ｖ，适合反馈模式控制的ＤＣ—ＤＣ转换电路．电源中 反馈回路针对隔离电源的要求，采用ＴＩＡ３１和ＮＥＣ２７０２配合来实现后级电压与控制电路的隔离反馈 ．在 电流控制方面，基于ＩｘＰＣ１０９９内部集成了过电流保护检测电路将开关管接地端接人小电阻，间接的检测输 出电流的大小，当检测到开关管低端的电压过大时，立即关闭Ｉ￣ＰＣ１０９９，从而保护系统不被损坏．控制电路 如图２． 图２电源控制电路 Ｆｉｇ．２ Ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｉｌｏｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ２．３远程控制电路设计 选用ＳＴＣ８９Ｃ２０５１单片机作为主控ＭＣＵ，单片机的电源与隔离电源的电源通过隔离电源模块已经隔离，为了 使单片机控制系统可以与外部进行通信和控制，采用光耦元件进行信号传输，其中三个ＬＥＤ显示系统当前的运 行状态．绿色亮表示正常工作，红色表示亮发送错误，黄色亮表示当前有输出电压，电路如图３． 第３３卷 绵阳师范学院学报（自然科学版） ・２Ｏ・ 图３远程控制电路 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ３软件设计 ３．１下位机程序设计 单片机上电后通过Ｒｃ电路自动复位启动，然后初始化内部变量，接着打开串口，设置串口波特率为： ９６００，８位数据，１位停止位，无校验位．打开串口后单片机开始监听串口接收到的数据，当有数据来到时，首 先对数据进行ＣＲＣ１６校验，如果数据校验通过则匹配内部命令，然后执行接收到的内部命令（即返回当前 电源的工作状态、开启电源、关闭电源），如果没有匹配的命令则无操作．相应的ＣＲＣ１６校验失败，则认为是 无效的数据，返回继续监听串口数据．程序流程如图４： 图４程序流程图 Ｆｉｇ．４ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ３．２上位机程序设计 上位机程序流程如图５，使用编程语言为ＶＢ．ＮＥＴ，编译器为Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５，编译环境：Ｗｉｎｄｏｗｓ ７ 家庭版． 由于本设计中上位机软件只是简单的模拟实现远程控制的功能，所以程序中只添加了四个事件，分别 ・２１・ 彭仁明等：隔离电源系统设计 第５期 对应四个按钮（建立连接、断开连接、开启电源、关闭电源）．建立连接使程序打开串Ｅｌ，并发送对现场机的 检测命令，当接收到现场机返回的检测命令后显示连接成功．断开连接直接关闭程序串口功能．开启电源 是上位机向现场机发送打开 源命令，现场机成功后向上 机发送打开成功信息．关闭 源是上位机向现场机发送关 电源命令，关闭成功后现场机 上位机发送关闭成功信息． 时，上位机定时向现场机发送 测命令，如果在规定时间内无 场机返回的信息则上位机提 丢失现场机的提示警告． ４ 结论 通过实验验证了隔离电源 力． 参考文献： 图５上位机程序流程图 Ｆｉｇ．５ Ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ 系统工作稳定，实现了预期的设计要求，电源可以实现远程控制 ，并且有抵抗一定外界干扰的静电屏蔽能 ［１］邢江勇．一种高效节能低压开关电源的设计方法［Ｊ］．科技通报，２０１３（０３）：１５１—１５４． ［２］ 王建，赖奕佳．基于ＡＴｍｅｇａ１２８单片机的自动投切开关电源设计［Ｊ］．工业控制计算机，２０１３（０１）：１２６—１２７． ［３］沈喜明．电力电子技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００５． 、 ［４］ 何文志，丘东元，肖文勋，等．高频大功率开关电源结构的热设计［Ｊ］．电工技术学报，２０１３（０２）：１８５—１９１＋２１８ ［５］董海鹰，李晓青，李坦．单端反激式开关电源反馈回路的补偿控制［Ｊ］．．电源技术，２０１３（０４）：６２４—６２７． ［６］陈永真．新编全国大学生电子设计竞赛试题精解选［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９． ［７］王建校．电子系统设计与实践［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００８． ［８］周航慈．嵌入式系统软件设计中的常用算法［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０１０． ［９］马斌．单片机原理及应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０１１． ［１０］牟翔永，张晓春，林刚，等．基于ＳＧ３５２５的大电流低电压开关电源设计［Ｊ］．电测与仪表，２０１３（０４）：１２０—１２４． ［１１］胡志强，王改云，王远．多路单端反激式开关电源设计［Ｊ］．现代电子技术，２０１３（１４）：１６２—１６５＋１７０． Ｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＰＥＮＧ Ｒｅｎ—ｍｉｎｇ，ＧＥ Ｌｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃｓ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２１０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ａｄａｐｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａｎ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ２２Ｖ一６０Ｖ， ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ １２Ｖ，ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ １ Ａ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ａ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｉｎｐｕｔ，ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１．ＳＴＣ８９ Ｃ２０５ １ ｉｓ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ＲＳ２３２ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅ— ａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｄａｔａ ｂｅｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｌｌｙ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅ— ｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｓｏｌａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；Ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＳＴＣ８９Ｃ２０５ １；ＲＳ２３２ （编校：陈桂芳）
