基于单片机的宽电压智能型爆闪灯的设计
MK6A11P单片机具有较强的抗干扰能力,内含RC振荡器、看门狗及复位电路,与其他系列单片机相比,省去了很多外围元件,且格低廉,适用于各种工业用小型产品的设计。
利用该芯片和NE555芯片组合设计的智能型爆闪灯,具有整体电路简单、工作稳定,产品的一致性好,极大地提高批量生产能力和竞争能力。
1 利用MK6A11P的宽电压智能型爆闪灯
1.1 整体电路框图
整体电路框图如图1所示,由温度检测、过压检测、工作模式设置、能量调节及驱动、高压检测及脉冲触发部分组成,从而使爆闪灯具有完善的保护功能和自适应功能。
1.2 MK6A11P单片机的特性
MK6A11P是RISC高性能的8位单片机,内部包含1 kbit×14 bit的OTP方式的ROM,48个8位RAM和一个8位定时/计数器。内含上电复位、低电压复位、外部复位、WDT复位。具有外部RC、LS晶振、NS晶振、HS晶振和内部4 MHz RC振荡器,有8脚和14脚封装,I/O口在输入状态下,可置为上拉电阻或下拉电阻模式,可省去外部的上拉电阻。
1.3 同步方式的反激式升压电路设计
利用简单电路设计能量可控制的反激式升压器是设计的关键。MK6A11P单片机I/O的输出电压约为4.5 V,驱动电流较小,因此不能直接驱动MOSFET。如果利用电平变换方法驱动也可以,但是一旦程序进入“死循环”,I/O的状态是不定的,因此不能及时关断MOSFET开关管(死循环时内部的看门狗能自动复位,但时间是ms量级,不能保护开关管),即可损坏开关管。
因此需要一个驱动器,该驱动器具有1O V/300 mA以上的驱动能力,可设置能量储存值,可快速关断开关管,且价格低廉。
NE555是通用的定时器芯片,输出电压为5~15 V,输出电流可达500 mA。内有2个比较器,比较点电压分别是UF和UF/2,图2所示,当2脚的电压低于UF/2时输出为高电平,6脚的电压高于UF时输出为低电平。利用此特性设计出同步方式的转换能量可改变的反激式变换器。
变压器T1初级储存的能量由式(1)决定。
图2电路中UH=UD+UZ,UZ为稳压管D3的稳压值,当UH>UF时NE555输出低电平,开关管关断,因此式(2)成立。
可知变压器初级电感储存的能量取决于UF的大小,而UF的大小取决于K点的PWM信号的占空比,因此改变占空比可改变UF的大小,从而调节充电速率。
MK6A11P单片机发出30 kHz的同步脉冲,经过C5加到2脚触发,使输出为高电平,开关管Q1导通,变压器初级的电流线性增加,D点的电压也线性增加,当UD>UF-UZ 时,NE555输出为低电平,快速关断开关管,变压器初级储存的能量通过次级释放到高压电容,电容被充电。由于同步脉冲是单片机发出的,因此工作频率稳定,可减少谐波。
1.4 充电速率的智能控制原理
图3为2次爆闪模式下工作时,正常、过慢、过快充电情况下的充电曲线。理想的充电速率是,当电压刚达到设定值时,频闪管被触发,高压电容的电压被放电。由图3可知充电过慢达不到设定值,影响爆闪亮度,过陕产生过充电压,增加开关管、变压器、高压电容的负担,在3次或4次爆闪模式下工作时更为严重。
表l是电容C1为100μF时充电电压与储存能量的关系表。当正常工作时一次放电电压为350 V,二次放电电压为200 V,而过快时一次放电电压为350 V,而二次放电电压为240 V,过充电压为40 V,则电压改变量为20%,而能量改变量可达44%,这是因为电容中储存的能量与充电电压成平方关系。
工作时MK6A11P单片机检测图7中E点的电压,当电压过早达到设定值时,K点的PWM信号占空比减少,从而UF降低,减少充电速率,反之亦然。
图4为升压电路工作时B,D,F,G点的波形,每次被触发后延迟5~6μs后G点为高电平,可知同步效果和开关波形良好,能量控制点(F点)的电压纹波很小。
图5为3次爆闪模式工作时,实测的工作波形,可见高压刚达到设定值后,被触发脉冲触发放电,不发生过慢、过快充电现象。
1.5 脉冲序列发生器设计
爆闪式信号灯需要多种工作模式,图6中列出了部分不同的工作模式。
为了产生30 kHz的同步脉冲单片机的定时器T0以30 kHz速率申请中断,通过N次分频后可得所需要的脉冲序列,利用模式选择开关S1选择不同的工作模式。
1.6 过电压和过温度保护
图7为整体工作电路,通过R1,R5对电源的输入电压进行分压检测,如果大于50 V则停止输出同步脉冲,电路停止工作。
过高的温度是损坏或缩减产品寿命的重要原因,特别是高压电容工作在高压、大电流放电状态,工作温度很高,实际电路中采用105℃的电解电容,但要求不要超过80℃,以防止电解液干枯,缩短使用寿命。
热敏电阻RT1在线路板上安装在靠近高压电容的位置,检测信号灯内部的最高的温度,一旦超过80℃,停止输出同步脉冲,电路停止工作,待温度降下后自动工作。如果不允许爆闪灯停止工作的场合,可降低设定的高压值工作,待温度降下后自动恢复。
2 结束语
利用MK6A11P单片机设计的宽电压智能型爆闪灯,经过实验得出如下结论:各种保护功能工作正常,自适应各种情况,在宽电压范围工作时充电速率很理想。反激式升压部分采用了由单片机发出同步脉冲开启,由NE555快速关闭,因此工作频率稳定,即使发生了死机现象也能很好地保护开关管。整体电路简单,工作稳定,产品的一致性好,从而极大地提高生产能力、维护能力和产品的竞争能力。
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