基于P87LPC767的高性能交流稳压电源设计

叶克江

YE Ke-jiang

（广东外语艺术职业学院，广州 510640）

基于P87LPC767的高性能交流稳压电源设计

Design of high performance ac voltage-stabilizing power supply based on single-chip P87LPC767

叶克江

YE Ke-jiang

（广东外语艺术职业学院，广州 510640）

设计一种高性能交流稳压电源，基于菲利普（Philips)公司51内核带A/D转换的8位单片机P87LPC767，利用双向三端可控硅对多抽头变压器的原边进行切换控制，并采用正弦半波逐次逼近插值算法使输出电压的有效值达到很高的稳定性，稳压范围宽，反应时间快，成本低，寿命长，无机械触点，可靠性高，输出电压小范围连续可调，具有完善的保护措施，易于实现较大功率输出。

P87LPC767；模/数转换；有效值；交流稳压；可控硅

0 引言

能够提供一个稳定的交流电压和频率的电源称为交流稳压电源[1]。目前交流稳压电源按照工作原理大致可以分为参数调整型、开关型和自耦调整型三大类[2]。参数调整型稳压电源的基本原理是LC串联谐振，早期出现的磁饱和型稳压器就属于这一类，优点是结构简单，可靠性高，抗干扰和抗过载能力强，稳压范围较宽，缺点是能耗大，噪声大，笨重而且造价也较高。开关型稳压电源采用高频脉宽调制技术，输出电压波形有准方波、梯型波和正弦波等，优点是稳压性能好，控制功能强，易于实现智能化，是非常有前途的交流稳压电源，但因其电路复杂，价格昂贵，所以推广较慢。自耦调整型稳压电源又分为机械调整型、大功率补偿型（也称净化型或精密型）和改变抽头型[3]三种，其中机械调整型结构最简单，造价低廉，输出波形失真最小，但是由于机械滑动触点易产生电火花和磨损，造成损坏以至烧毁而失效，因此寿命较短，而且靠机械滑动的电压调整速度很慢；大功率补偿型采用补偿环节实现输出电压的稳定，易实现微机控制，优点是抗干扰性能好，稳压精度高（≤±1%），响应快（40～60ms），电路简单，工作可靠，价格适中，所以应用比较广泛，缺点是带非线性负载时有低频振荡现象，输入侧电流失真度大，源功率因数较低，输出电压对输入电压有相移；改变抽头型采用将自耦变压器（或双绕组变压器的原边）做成多个固定抽头，通过普通继电器或可控硅（固态继电器）做为开关器件工作，自动改变抽头位置，从而实现输出电压的稳定，优点是电路简单，稳压范围较宽（130V-280V），效率很高（≥95%），反应快，价格低，缺点是稳压精度低（±8～10%），采用普通继电器做开关器件时的工作寿命短，适用于对稳压精度要求不高的场合。正弦能量分配模式的美国专利技术[4]，主要应用于高端大功率交流稳压电源设备中。该种电源具有稳压范围宽、精度高、响应速度快、能量传输效率高、能长期连续工作、有效地抑制电网中各种噪声和尖峰干扰等优点，但是电路结构复杂，产生的谐波较多，成本高昂，适用于对电源要求特别高的场合。

本文基于菲利普（Philips）公司51内核带A/D转换的8位单片机P87LPC767，利用双向三端可控硅对多抽头变压器（自藕或双绕组的原边）进行切换控制，并采用插值算法使输出电压的有效值达到很高的稳定性，保持了改变抽头型的优点，克服了稳压精度不高的缺点，使稳压性能得到较大的改善，易于实现较大功率输出。

1 单片机P87LPC767简介

图1 电源电路的关键部分示意图

P87LPC767是20脚封装的单片机[5]，适合于许多要求高集成度低成本的场合，可以满足许多方面的性能要求。作为Philips小型封装系列中的一员，P87LPC767提供高速和低速的晶振和RC振荡方式，可编程选择。具有较宽的操作电压范围。有内部看门狗定时器。P87LPC767采用80C51加速处理器结构，指令执行速度是标准80C51MCU的两倍。时钟频率可达20MHz。具有4通道多路8位A/D转换器，在振荡器频率fosc=20MHz时转换时间最快为9.3µs。用于数字功能时操作电压范围为2.7－6.0V。4K字节OTP程序存储器，128字节的RAM，32字节用户代码区可用来存放序列码及设置参数。2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出。内含2个模拟比较器。全双工通用异步接收/发送器UART及I2C通信接口，八个键盘中断输入另加2路外部中断输入，4个中断优先级。看门狗定时器利用片内独立振荡器，无需外接元件，溢出时间有8种选择，具有独立的片内振荡器，因此它可用于外接振荡器的失效检测。低电平复位，使用片内上电复位时不需要外接元件。可配置的片内振荡器及其频率范围，选择片内RC振荡器时不需外接振荡器件。可编程I/O口输出模式为准双向口，开漏输出，上拉和只有输入功能，可选择施密特触发输入或LED驱动输出，所有口线均有20mA的驱动能力，可控制口线输出转换速度以降低EMI，输出最小上升时间约为10ns。 最少15个I/O口，选择片内振荡和片内复位时可多达18个I/O口。如果选择片内振荡及复位时，P87LPC767仅需要连接电源线和地线。串行EPROM编程允许对芯片进行板上编程，2位EPROM保密位可防止程序被读出。空闲和掉电两种省电模式，提供从掉电模式中唤醒功能，典型的掉电电流仅为1µA。

2 硬件组成与工作原理

电源电路的关键部分主要包括多抽头双绕组变压器、输入/输出侧峰值保持与检测电路、P87LPC767单片机、LC简易滤波器、可控硅控制电路和输入/输出侧峰值采样电路等，如图1所示。

多抽头变压器T1采用双绕组，使220V交流输入原边侧L1-N1的全波整流峰值采样电路与24V交流稳压输出副边侧L2-N2的全波整流峰值采样电路可以共地，实现正弦半波峰值检测与切换，反应时间快；如果T1采用自藕方式，则输入侧L1-N1虽然还可以采用全波整流采样，但是输出侧L2-N1只能进行半波整流采样，仅能实现正弦全波切换，反应时间比前者慢一倍。T1输入侧的多抽头端相邻电压间隔6%。改变输入侧抽头对应电压标称值，就可以大幅度改变稳压范围。

变压器输入侧采用LC简易滤波器，结合软件数字滤波，可以达到很好的抗干扰效果。

峰值采样电路的结构十分简单[6]，由4个整流二极管和2个串联分压电阻组成，输入侧得到电压采样信号V1，对应最大交流电压输入294V时峰值V1max≈4.52V，输出侧得到电压采样信号V3，对应交流稳压输出24V时峰值V3max≈4.34V。

峰值保持与检测电路采用最简单的结构，输入侧得到峰值保持波形信号V2，输出侧得到峰值保持波形信号V4，由于A/D转换时间小于50us，远远小于V1和V3的半波周期10ms，因此可以通过对V2和V4持续不断的转换检测得到V1和V3的峰值。

P87LPC767单片机由于内部自带晶体振荡器稳定性很差，必须采用外接6Mhz晶体振荡器的工作方式（位于端口X1-X2）。端口P12，P13用于连接带I2C接口的键盘显示控制芯片如ZLG7290等，以便实现键盘控制，设置有关参数，可以在±20%的范围内连续改变稳压输出额定值，使该电源成为交流稳压输出连续可调电源，同时显示当前输入电压，输出电压，运行参数等必要信息。端口P17，P16用于峰值保持与检测电路的峰值放电，以便准备下次保持与检测。峰值保持电压V2和V4分别输入到端口AD0和AD1用于A/D转换，转换电压范围0V－5V。端口P15用于输入侧电压V1的过零监测信号输入，实现可控硅的过零切换控制，防止涡流损坏器件或变压器。端口INT用于故障信号输入监测，比如变压器过热，输出端短路等，具有最高优先级，以便快速响应处理故障。单片机其余端口用于扩展14路控制信号K1－K14，分别与输入侧对应，其中K9对应控制220V抽头位置。

可控硅控制电路共14套，采用光耦可控硅MOC3051控制功率可控硅BT136，MOC3051起到隔离高压和低压的作用，正常工作时14个BT136在任一输入正弦半波期间只有一路导通，除非因故障或过压、欠压等全部关断。

另外电源电路还包括变压器过热保护电路、输出端短路保护电路和输入端简易压敏防雷保护电路等，具有比较完善的安全措施。为了实现较大功率输出，只需更换变压器和功率可控硅(BT136)，并采取辅助散热措施，电路结构无需改变。

工作原理的精髓在于正弦半波插值算法，以及由于负载变化对插值算法的影响。

3 插值算法

3.1 输出端空载时的插值算法

输出端L2－N2空载时的输出电压完全由输入电压决定，因此插值算法只需考虑输入电压值即可。图1中变压器T1的输入侧抽头共15个，其中N1是输入公共端，连接公共零线，单片机扩展控制端Kj（j=1－14）控制光耦可控硅Mj，Mj控制功率可控硅Bj，Bj的第1脚连接火线L1，Bj的第2脚连接T1的对应抽头，对应关系为：K1-M1-B1-138V，K2-M2-B2-146V，…，K9-M9-B9-220V，…，K14-M14-B14-294V。假设通过检测V1的峰值，发现输入电压UI介于208V（由K8控制）和220V（由K9控制）之间，K8-K9称为一个切换组，即有：208V≤UI≤220V，依此为例可以说明正弦半波插值算法。

设K8有效时正弦半波V3的峰值经过A/D转换后对应值为a，K9有效时正弦半波V3的峰值经过A/D转换后对应值为b，标准稳压输出24V时正弦半波V3的峰值经过A/D转换后对应值为c=256×4.34/5=222（V3max=4.34V，A/D转换器是8位的），则有：

设定10个半波（时间100ms）即5个正弦周期为1个稳压周期，在1个稳压周期内有m个K8有效，n个K9有效，并依据有效值稳定原则，则有：

通过公式(1)-(4)，并考虑(a+c)/(a+b)≈(c+b)/(a+b)≈1，可以得到：m≈10×(c-b)/(a-b) ，n≈10×(a-c)/(a-b) ，分别取整数值即可。

比如在反应时间最慢的情况m=9，n=1时（100ms），令K8保持9个半波有效，K9保持1个半波有效（反之亦然）。说明输入电压靠近208V一侧并略大于208V，如果一直保持K8有效，将使输出电压有效值略大于24V，因此每9个K8有效之后插入1个K9有效（此时半波输出电压有效值降低），将使输出电压有效值得到合理补偿，更加接近24V，实现了输出电压的稳定。在反应时间最快的情况m=5，n=5时（20ms，相当于m=1，n=1，1个稳压周期只包含2个半波），控制端有效的顺序采用K8-K9-K9-K8-K8-K9-K9-K8-K8-K9结构，既能保持输出电压有效值稳定，又能使输出电压绝对平均值偏移零点最小，而且使由于控制端频繁切换引入的高次谐波分量幅度最低。

插值算法的控制端切换时机应该尽量均匀、对称，通过理论误差分析与实验结果的比较，输出电压有效值稳压精度可以达到±0.3%，远远好于一般多抽头稳压方式的稳压精度，实现了结构简单，低成本与高性能的有效融合。改变基准值c，并相应改变可能的对应切换区间，保证a，b满足公式(1)，(2)的要求，就可以实现输出稳压额定值在小范围内连续可调。采用过零切换技术，波形失真极小，功率可控硅不受电压冲击，任意相邻可控硅之间压差小，高次谐波分量可以忽略不计，无机械触点，有利于延长器件使用寿命。

3.2 输出端重载时的逐次逼近插值算法

插值算法的控制端切换组有K1-K2，K2-K3，…，K8-K9，…，K13-K14共13组，空载时起作用的切换组Ki-Ki+1（i=1－13）完全由V1的峰值决定即可。有负载时V3的有效值势必下降，而且负载越重，V3的有效值下降越厉害，此时仅由V1的峰值决定切换组是不够的，而应该由V1和V3的峰值共同决定。V3的峰值同时受到输入端电压和输出端负载的影响，V1的峰值受到输出端负载的影响较小。如果通过实验求出“V1－V3－负载大小”的对应关系，将是一个非常庞大的三维表格，过多占用单片机程序存储空间资源，十分繁琐且使用不便。实际上，只需根据当前a，b，c 的值尤其是c的值偏离标称值222的程度，即可基本确定目标切换组，如果选定的目标切换组恰好合理，则应用前述插值算法即可，如果还有小偏差，则只需再判断一次，就可以准确选定目标切换组，最终使输出电压有效值保持稳定。这是一种逐次逼近与插值算法相结合的算法，简称逐次逼近插值算法。大部分情况下，逐次逼近只需一次判断，不构成额外延时，需要两次时构成延时10ms。

一般地，选取6个半波（时间60ms）为1个稳压周期，延时最长70ms，输出端负载在输出功率额定值的0%－120%范围内突变时，输出电压有效值稳压精度仍可以达到±0.5%，可见对负载变化的反应是很快的。

根据V1的峰值，容易判断当输入电压大于312V=294×(1+6%)时为过压，可控硅全部关断；小于130V=138×(1-6%)时为欠压，可控硅全部关断。如果K1有效时V3的峰值小于标准值的1%，说明负载过重，可控硅全部关断。

4 结束语

该电源电路结构简单，算法新颖，采用正弦半波逐次逼近插值算法使输出电压的有效值达到很高的稳定性，继承了多抽头变压器稳压方式的优点，克服了稳压精度低（±8～10%）的缺点，稳压范围宽，对负载突变反应时间快，输出电压小范围连续可调，成本低，寿命长，保护措施完善，易于实现较大功率输出。

[1] 陈江岸,等.基于DSP的软开关交流稳压电源的研究[J].电子技术应用,2007,33(4):141-143.

[2] 上海潘登电源有限公司.各种交流稳压电源的比较[J].有线电视技术,2004,11(1):102-103.

[3] 佟为明,等.微机控制的高稳定通用交流稳压电源[J].电力电子技术,1996,(2):41-43,57.

[4] 庚雷.新的电路拓扑—正弦能量分配器SACs[J].电源世界,2008,(1):28-31.

[5] 牛黎明.锂电池在线充放电管理电路的设计[J].电子技术应用,2002,28(4):11-13.

[6] 石右仁,等.交流稳压电源控制中数据采样技术及算法改进[J].移动电源与车辆,2008,(2):20-23.

TP301.6;TM131.4

A

1009-0134(2010)12(上)-0155-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).50

2010-09-09

叶克江（1966 -），男，河南息县人，副教授，博士，主要从事计算机应用以及自动控制方面的研究。