一種基于MSP430單片機(jī)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

郭 鍵，朱 杰，董萍萍

（北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 101149）

在不同的電子產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中、一些電子設(shè)備檢修場(chǎng)合、硬件電路的電氣特性測(cè)試中都會(huì)需要不同電壓值的直流電源，可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源是各類(lèi)電子設(shè)備不可或缺的組成部分。

目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)[1]。線(xiàn)性穩(wěn)壓電源亦稱(chēng)串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓性能好，輸出紋波電壓小，但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，并且調(diào)整管的功率損耗較大，致使電源的體積和重量大、效率低，很難在輸出大于5A的場(chǎng)合應(yīng)用[2-3]。而被譽(yù)為高效節(jié)能的開(kāi)關(guān)電源，具有體積小，重量輕，輸入電壓范圍寬，保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于照相機(jī)、攝像機(jī)、PDA、手提電腦、便攜式檢測(cè)設(shè)備以及工業(yè)自動(dòng)化、航空、儀表儀器等領(lǐng)域，正逐漸成為穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向[4-8]。

1 傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的工作原理及不足

開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)調(diào)整工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管的導(dǎo)通或關(guān)斷的時(shí)間來(lái)調(diào)整輸出電壓的。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路一般包括誤差放大器、基準(zhǔn)源、鋸齒波發(fā)生器、PWM比較器、開(kāi)關(guān)管、二極管和電感等。

1.1 傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的工作原理

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓首先經(jīng)過(guò)電阻采樣網(wǎng)絡(luò)，之后與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，兩者之差經(jīng)誤差放大器濾波、放大、翻轉(zhuǎn)，其輸出作為脈沖寬度調(diào)制器（PWM）兩個(gè)輸入之一。PWM比較器的另一個(gè)輸入是鋸齒波，這樣在PWM比較器的輸出端就得到了占空比正比于誤差放大器輸出值的方波，即PWM比較器輸出的變化量是開(kāi)關(guān)脈寬。所以，若輸出上升，誤差放大器的輸出電壓下降，占空比變小以使輸出變??；反之則誤差放大器的輸出電壓上升，占空比變大以使輸出變大，此即為開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理。圖1是buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

如圖1所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)，連接R1和R2的節(jié)點(diǎn)的電壓可認(rèn)為（幾乎）等于VREF。忽略Z1與電阻節(jié)點(diǎn)間的電流，通過(guò)歐姆定律可有 R2/（R1+R2）=VREF/VOUT，故輸出電壓為 VOUT=VREF*（1+R1/R2）。在將控制環(huán)路理論應(yīng)用到該電源中時(shí)，一般只關(guān)注變化（或者擾動(dòng)），而不關(guān)注直流量。若誤差放大器只是普通的電壓反饋型運(yùn)算發(fā)達(dá)器，則下位分壓電阻R2只起到直流偏置作用，在交流環(huán)路分析中不起任何（直接的）作用。

圖1 buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源Fig.1 Buck topology of switching power supply

1.2 傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的不足

一般而言，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是通過(guò)改變對(duì)輸出電壓的采樣比例來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓值的。普通可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源采用多圈機(jī)械電位器用作輸出電壓調(diào)整。機(jī)械電位器存在機(jī)械磨損、震動(dòng)、頻繁動(dòng)作容易損壞等缺點(diǎn)。另外，用作可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整還存在著調(diào)壓困難、調(diào)整的精度低、一致性差等不足。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用數(shù)字電位器代替多圈電位器的可調(diào)式直流電源。但數(shù)字電位器的輸出分辨力較低，一般在10位以下，調(diào)整精度也不能達(dá)到很高的水平。為緩解此不足，文中設(shè)計(jì)了一種新型的電壓可調(diào)直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源。

2 新型電壓可調(diào)直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源工作原理

本設(shè)計(jì)只針對(duì)直流變直流部分，不涉及由交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源的部分。為使輸出電壓可調(diào)，文中通過(guò)在R1和R2的節(jié)點(diǎn)處引入一電阻R3和設(shè)定電壓VSET來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 設(shè)定電壓圖Fig.2 Figure of setting voltage

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)假定Z1與3個(gè)電阻節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有電流流過(guò)，則VFB=VREF，因此VOUT、VFB及VSET3者間的關(guān)系表達(dá)式由電路的疊加原理有：

上式中Rx//Ry為x和y兩個(gè)電阻并聯(lián)后的電阻值，則有：

將VFB=VREF帶入上式得：

由式（2）可見(jiàn)，VSET與VOUT成反比線(xiàn)性關(guān)系，因此通過(guò)設(shè)定不同的給定電壓，即可得到不同的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)節(jié)。

3 新型的電壓可調(diào)直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

3.1 新型的電壓可調(diào)直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)

本電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源硬件部分主要包括輔助電源系統(tǒng)、系統(tǒng)主電路、系統(tǒng)單片機(jī)電路等幾個(gè)主要部分。

3.1.1 輔助電源系統(tǒng)

電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的輔助電源系統(tǒng)如圖3所示。

系統(tǒng)由一片集成DCDC轉(zhuǎn)換芯片TPS5430及其外圍電感、電阻電容和二極管組成的電源電路把直流電壓+24 V轉(zhuǎn)換成+6 V DC，+6 V DC通過(guò)線(xiàn)性電源芯片LT1764EQ及其所屬電路元件獲得+5 VA電源，+5 VA通過(guò)線(xiàn)性電源芯片REG1117-3.3及其所屬電路元件得到+3.3 V電源。+3.3 V給系統(tǒng)的單片機(jī)及數(shù)字接口供電；+5 VA給運(yùn)算放大器OPA2350及電壓基準(zhǔn)源供電。

3.1.2 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主電路如圖4所示。

系統(tǒng)主電路實(shí)現(xiàn)電壓的可調(diào)輸出，電源變換電路采用buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，+24 V由成熟的ACDC電源電路部分供給。圖4中A區(qū)為電源變換電路部分，B區(qū)電路產(chǎn)生設(shè)定電壓 VSET。

圖4A 區(qū)中，U2（TPS5430DDA）、L2（電感）、VD2（續(xù)流二極管）、C8、C9、R1、R2及 R3構(gòu)成了 buck 拓?fù)涞?DCDC 降壓變換電路。TPS5430DDA引腳4在工作時(shí)電位被鉗位在1.221 V，將圖2中R1、R2和 R3的值代入式（2），得圖 4電路的電壓輸出公式為（單位V）：

圖3 輔助電源Fig.3 Auxiliary power supply

圖4 系統(tǒng)主電路Fig.4 Main circuit of the system

由式（3）得出，VSET小于0.164 1 V時(shí)VOUT得到最大值，即輸入電壓24 V，VSET大于0.164 1 V后，VOUT隨著VSET的增加而線(xiàn)性減小，其比例系數(shù)為-10。C6和C7為輸入電容；R6和R9組成輸出電壓采樣網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)通過(guò)片上集成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，以對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，必要時(shí)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整；U9 （INA138NA）、R27、R28、R29及C41組成輸出電流采樣電路，單片機(jī)通過(guò)片上集成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電流信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的監(jiān)控和過(guò)流保護(hù)。

圖4 B區(qū)是含2階RC濾波的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)的電路。單片機(jī)輸出的PWM波驅(qū)動(dòng)MOS管VT1，使得VT1工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，忽略VT1的導(dǎo)通電阻，則其漏極端在其導(dǎo)通時(shí)為0 V，關(guān)斷時(shí)為2.5 V，因此2階RC低通濾波的輸入是脈沖高度是2.5 V的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，濾波后直流量被OPA2350放大后作為設(shè)定電壓送到R3。

3.1.3 系統(tǒng)的單片機(jī)電路

電路圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的單片機(jī)電路Fig.5 Single-chip circuit of the system

單片機(jī)U7利用自身集成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流電壓的采樣，引腳61是輸出電流信號(hào)的輸入，引腳60是輸出電壓信號(hào)的輸入，單片機(jī)檢測(cè)到輸出電流超過(guò)設(shè)定值后，通過(guò)禁止U2而關(guān)斷輸出電壓，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)；單片機(jī)檢測(cè)輸出電壓，若由于元器件參數(shù)的離散性或系統(tǒng)的時(shí)間漂移或溫度漂移等導(dǎo)致輸出偏離設(shè)定值，則可對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而降低系統(tǒng)的溫漂、時(shí)漂和元器件參數(shù)容差的影響。引腳44輸出到U2（TPS5430DDA）的使能信號(hào)引腳5（中間通過(guò)R7），只有引腳44輸出高電平時(shí)U2才能工作，輸出可調(diào)的電壓。鍵盤(pán)電路的K1連接到U7的引腳20上，K2連接到U7的引腳21上，電源上電后輸出默認(rèn)值，按K1鍵升高輸出電壓，按K2鍵降低輸出電壓。

3.2 新型的電壓可調(diào)直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的軟件設(shè)計(jì)

電源控制程序流程圖如圖6所示。

程序工作過(guò)程如下：外電源上電后，輔助電源工作，控制系統(tǒng)啟動(dòng)，單片機(jī)電源使能信號(hào)輸出零來(lái)禁止電源工作，接著單片機(jī)以最大占空比輸出PWM波，然后再使能電源工作，此時(shí)電源輸出電壓最低。此后使用者通過(guò)鍵盤(pán)輸入需要的輸出電壓，單片機(jī)根據(jù)用戶(hù)輸入調(diào)整PWM占空比，并間隔固定時(shí)間采樣輸出的電壓電流，若采樣電壓與期望輸出電壓差值超過(guò)設(shè)定值，則程序調(diào)整PWM波的占空比，以此調(diào)整輸出電壓。當(dāng)檢測(cè)到輸出電流大于最大允許輸出電流時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流故障，單片機(jī)電源使能信號(hào)輸出零來(lái)禁止電源工作，以此實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

圖6 程序控制流程圖Fig.6 Program control flow graph

4 結(jié) 論

開(kāi)關(guān)電源因其自身節(jié)能高效等特性代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，而逐漸成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。本文分析傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的原理及不足，提出了一種新型的電壓可調(diào)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式。在不改變電源轉(zhuǎn)換電路反饋的動(dòng)態(tài)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓的可調(diào)。同時(shí)單片機(jī)采樣電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出的過(guò)流保護(hù)；通過(guò)采樣輸出電壓信號(hào)，降低了電源的溫漂、時(shí)漂和元器件參數(shù)容差造成的輸出誤差。同時(shí)電壓設(shè)定量通過(guò)PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)獲得，可有效降低系統(tǒng)成本，并達(dá)到輸出電壓較高的分辨力。

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