基于單片機(jī)控制的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

　　1 引 言

　　MSP430系列單片機(jī)是美國TI公司生產(chǎn)的新一代16位單片機(jī)，是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器(MixedSignal Processor)，它具有低電壓、超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍。開關(guān)Boost穩(wěn)壓電源利用開關(guān)器件控制、無源磁性元件及電容元件的能量存儲(chǔ)特性，從輸入電壓源獲取分離的能量，暫時(shí)把能量以磁場的形式存儲(chǔ)在電感器中，或以電場的形式存儲(chǔ)在電容器中，然后將能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載。對(duì)DC-DC主回路采用Boost升壓斬波電路。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總設(shè)計(jì)方案

　　本開關(guān)穩(wěn)壓電源是以MSP430F449為主控制器件，它是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)，其低功耗的優(yōu)點(diǎn)有利于系統(tǒng)效率高的要求，且其ADC12是高精度的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，有高速、通用的特點(diǎn)。這里使用MSP430完成電壓反饋的PI調(diào)節(jié)；PWM波產(chǎn)生，基準(zhǔn)電壓設(shè)定；電壓電流顯示；過電流保護(hù)等。

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 DC／DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主硬件電路由電源部分、整流濾波電路、DC／DC轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、MSP430單片機(jī)等部分組成。交流輸入電壓經(jīng)整流濾波電路后經(jīng)過DC／DC變換器，采用Boost升壓斬波電路DC／DC變換，如圖2所示：

　　根據(jù)升壓斬波電路的工作原理一個(gè)周期內(nèi)電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

　　式(1)中I1為輸出電流，電感儲(chǔ)能的大小通過的電流與電感值有關(guān)。在實(shí)際電路中電感的參數(shù)則與選取開關(guān)頻率與輸入／輸出電壓要求，根據(jù)實(shí)際電路的要求選用合適的電感值，且要注意其內(nèi)阻不應(yīng)過大，以免其損耗過大減小效率采樣電路。對(duì)于電容的計(jì)算，在指定紋波電壓限制下，它的大小的選取主要依據(jù)式(2)：

　　式(2)中：C為電容的值；D1為占空比；TS為MOSFET的開關(guān)周期；I0為負(fù)載電流；V′為輸出電壓紋波。

　　3.2 采樣電路

　　采樣電路為電壓采集與電流采集電路，采樣電路如圖3所示。其中P6.0，P6.1為MSP430芯片的采樣通道，P6.0為電壓采集，P6.1為電流采集。

　　電壓采集 因?yàn)椴蓸有盘?hào)要輸入單片機(jī)MSP430內(nèi)部，其內(nèi)部采樣基準(zhǔn)電壓選為2.5 V，因此要將輸入的采樣電壓限制在2.5 V之下，考慮安全裕量則將輸入電壓限制在2 V以下，當(dāng)輸入電壓為36 V時(shí)，采樣電壓為：12／(12+200)×36=2.04 V，符合要求。

　　電流采集 采用康銅絲進(jìn)行采集。首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，同時(shí)MSP430基準(zhǔn)電壓為2.5 V，且所需康銅絲需自制。考慮以上方面在康銅絲阻值選取上約為0.1 Ω。

　　3.3 PWM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　電力MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小，采用三極管驅(qū)動(dòng)即可滿足要求，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

　　由于單片機(jī)為弱電系統(tǒng)，為保證安全需要與強(qiáng)電側(cè)隔離，防止強(qiáng)電側(cè)的電壓回流，燒壞MSP430，先用開關(guān)光耦進(jìn)行光電隔離，再經(jīng)三極管到MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路IR2101。MSP430產(chǎn)生的PWM波，經(jīng)過光耦及后面的IR2101芯片，在芯片的5管腳輸出的PWM波接到MOSFET的門極G端，使其工作。IR2101是專門用來驅(qū)動(dòng)耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個(gè)8管腳的芯片，其具有高低側(cè)的輸出參考電平。門極提供的電壓范圍是10～20 V。