开关稳压电源设计

1万 · 2014-7-12 23:44

1 引言　　MSP430系列单片机是美国TI公司生产的新一代16位单片机，是一种超低功耗的混合信号处理器（MixedSignal Processor），它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点，具有很高的性价比，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。开关Boost稳压电源利用开关器件控制、无源磁性元件及电容元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感器中，或以电场的形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载。对DC-DC主回路采用Boost升压斩波电路。 2 系统结构和总设计方案　　本开关稳压电源是以MSP430F449为主控制器件，它是TI公司生产的16位超低功耗特性的功能强大的单片机，其低功耗的优点有利于系统效率高的要求，且其ADC12是高精度的12位A/D转换模块，有高速、通用的特点。这里使用MSP430完成电压反馈的PI调节;PWM波产生，基准电压设定;电压电流显示;过电流保护等。　　系统框图如图1所示。

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3 硬件电路设计　　3.1 DC/DC转换电路设计　　系统主硬件电路由电源部分、整流滤波电路、DC/DC转换电路、驱动电路、MSP430单片机等部分组成。交流输入电压经整流滤波电路后经过DC/DC变换器，采用Boost升压斩波电路DC/DC变换，如图2所示：

　　根据升压斩波电路的工作原理一个周期内电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：　　　　式（1）中I1为输出电流，电感储能的大小通过的电流与电感值有关。在实际电路中电感的参数则与选取开关频率与输入/输出电压要求，根据实际电路的要求选用合适的电感值，且要注意其内阻不应过大，以免其损耗过大减小效率采样电路。对于电容的计算，在指定纹波电压限制下，它的大小的选取主要依据式（2）：　　　　式（2）中：C为电容的值;D1为占空比;TS为MOSFET的开关周期;I0为负载电流;V′为输出电压纹波。　

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3.2 采样电路　　采样电路为电压采集与电流采集电路，采样电路如图3所示。其中P6.0，P6.1为MSP430芯片的采样通道，P6.0为电压采集，P6.1为电流采集。

　　电压采集因为采样信号要输入单片机MSP430内部，其内部采样基准电压选为2.5 V，因此要将输入的采样电压限制在2.5 V之下，考虑安全裕量则将输入电压限制在2 V以下，当输入电压为36 V时，采样电压为：12/（12+200）×36=2.04 V，符合要求。　　电流采集采用康铜丝进行采集。首先考虑效率问题，康铜丝不能选择过大，同时MSP430基准电压为2.5 V，且所需康铜丝需自制。考虑以上方面在康铜丝阻值选取上约为0.1 Ω。

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　3.3 PWM驱动电路的设计　　电力MOSFET驱动功率小，采用三极管驱动即可满足要求，驱动电路如图4所示。

　　由于单片机为弱电系统，为保证安全需要与强电侧隔离，防止强电侧的电压回流，烧坏MSP430，先用开关光耦进行光电隔离，再经三极管到MOSFET的驱动电路IR2101。MSP430产生的PWM波，经过光耦及后面的IR2101芯片，在芯片的5管脚输出的PWM波接到MOSFET的门极G端，使其工作。IR2101是专门用来驱动耐高压高频率的N沟道MOSFET和IGBT的。它是一个8管脚的芯片，其具有高低侧的输出参考电平。门极提供的电压范围是10～20 V。　

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3.4 保护电路的设计　　过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。当电流大于限定值的时候，使用继电器常闭触点断开进行保护。用MSP430单片机控制继电器的常开常闭的吸合，实现自动恢复电路工作的功能。如图5所示：

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4 软件设计　　MSP430单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活地配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率;430F449有ADC12模块能够实现12位精度的模数转换、硬件乘法器以及带有PWM输出功能的TIMERA和TIMRB定时器，使得整个电路不需要任何扩展就能完成对电源输出电压、电流的实时采集、PI控制、PWM输出;同时MSP430F449带有内部LCD驱动模块，直接将液晶显示屏连接在芯片的驱动端口即可，电路结构极为简单。本设计的软件采用C语言编写，整个程序包括的子模块有：键盘控制模块、A/D电压和电流采集模块、PI控制模块和PWM波发生模块等几个部分，软件流程图如图6所示。　　键盘控制和显示模块：通过键盘可实现电压参考值的设定，电压电流的切换显示。通过LED实现参考电压的设定与显示，通过LCD显示电压和电流的采集值。　　AD电压和电流采集模块：通过MSP430单片机的12位A/D转换模块，对系统输出的电压值和负载电流进行采集。　　PI控制模块：此模块用来对系统输出电压进行控制，使输出电压稳定。其控制原理如图7所示。　　PWM波发生模块：利用MSP430单片机的TimerB定时器的比较功能，产生驱动MOSFET的信号。

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5 实验结果分析 　　通过单片机MSP430软件设计，对PI调节选定合理参数及开关频率，能达到稳压的效果，使以上前3个指标能达到良好的效果。而能否对纹波电压限制，主要在于整流滤波电路中电容，因此高耐压的支撑电解电容的选取是重要的。

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　　在选定开关元件之后，效率主要受开关频率的影响、储能电感的内阻以及线路中其他器件损耗影响，因此在器件选取上要注重其损耗的高低。对此系统的进行综合测试，结果如表1所示。

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6 结语　　本开关稳压电源设计采用低功耗的TI公司的16位单片机MSP430F449片机最小系统板为控制核心，以PWM控制技术，闭环PI调节，高精度的12位A/D转换为基础，完成了采样值显示与设置电压值的功能和参数指标。实验结果表明：通过单片机MSP430软件设计，对PI调节选定合理参数及开关频率，能达到稳压的效果。