基于MSP430單片機的開關穩(wěn)壓電源設計

1 引 言

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

2 系統(tǒng)結構和總設計方案

　　本開關穩(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大的單片機，其低功耗的優(yōu)點有利于系統(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。這里使用MSP430完成電壓反饋的PI調(diào)節(jié)；PWM波產(chǎn)生，基準電壓設定；電壓電流顯示；過電流保護等。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 DC／DC轉(zhuǎn)換電路設計

　　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)動電路、MSP430單片機等部分組成。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，電感儲能的大小通過的電流與電感值有關。在實際電路中電感的參數(shù)則與選取開關頻率與輸入／輸出電壓要求，根據(jù)實際電路的要求選用合適的電感值，且要注意其內(nèi)阻不應過大，以免其損耗過大減小效率采樣電路。對于電容的計算，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的開關周期；I0為負載電流；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 因為采樣信號要輸入單片機MSP430內(nèi)部，其內(nèi)部采樣基準電壓選為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，當輸入電壓為36 V時，采樣電壓為：12／(12+200)×36=2.04 V，符合要求。

　　電流采集 采用康銅絲進行采集。首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，同時MSP430基準電壓為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)動電路的設計

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

　　由于單片機為弱電系統(tǒng)，為保證安全需要與強電側隔離，防止強電側的電壓回流，燒壞MSP430，先用開關光耦進行光電隔離，再經(jīng)三極管到MOSFET的驅(qū)動電路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)動耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個8管腳的芯片，其具有高低側的輸出參考電平。門極提供的電壓范圍是10～20 V。

3.4 保護電路的設計

　　過電流保護是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。當電流大于限定值的時候，使用繼電器常閉觸點斷開進行保護。用MSP430單片機控制繼電器的常開常閉的吸合，實現(xiàn)自動恢復電路工作的功能。如圖5所示：

4 軟件設計

　　MSP430單片機內(nèi)部具有高、中、低速多個時鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率；430F449有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、硬件乘法器以及帶有PWM輸出功能的TIMERA和TIMRB定時器，使得整個電路不需要任何擴展就能完成對電源輸出電壓、電流的實時采集、PI控制、PWM輸出；同時MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動端口即可，電路結構極為簡單。本設計的軟件采用C語言編寫，整個程序包括的子模塊有：鍵盤控制模塊、A／D電壓和電流采集模塊、PI控制模塊和PWM波發(fā)生模塊等幾個部分，軟件流程圖如圖6所示。

　　鍵盤控制和顯示模塊：通過鍵盤可實現(xiàn)電壓參考值的設定，電壓電流的切換顯示。通過LED實現(xiàn)參考電壓的設定與顯示，通過LCD顯示電壓和電流的采集值。

　　AD電壓和電流采集模塊：通過MSP430單片機的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值和負載電流進行采集。

　　PI控制模塊：此模塊用來對系統(tǒng)輸出電壓進行控制，使輸出電壓穩(wěn)定。其控制原理如圖7所示。

　　PWM波發(fā)生模塊：利用MSP430單片機的TimerB定時器的比較功能，產(chǎn)生驅(qū)動MOSFET的信號。

5 實驗結果分析

　　通過單片機MSP430軟件設計，對PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關頻率，能達到穩(wěn)壓的效果，使以上前3個指標能達到良好的效果。而能否對紋波電壓限制，主要在于整流濾波電路中電容，因此高耐壓的支撐電解電容的選取是重要的。

　
　　在選定開關元件之后，效率主要受開關頻率的影響、儲能電感的內(nèi)阻以及線路中其他器件損耗影響，因此在器件選取上要注重其損耗的高低。對此系統(tǒng)的進行綜合測試，結果如表1所示。

6 結 語

　　本開關穩(wěn)壓電源設計采用低功耗的TI公司的16位單片機MSP430F449片機最小系統(tǒng)板為控制核心，以PWM控制技術，閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，高精度的12位A／D轉(zhuǎn)換為基礎，完成了采樣值顯示與設置電壓值的功能和參數(shù)指標。實驗結果表明：通過單片機MSP430軟件設計，對PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關頻率，能達到穩(wěn)壓的效果。