基于MSP430單片機(jī)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(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電感器中，或以電場(chǎng)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?？紤]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。

3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　過電流保護(hù)是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負(fù)載輸出電流對(duì)電源和負(fù)載的損壞。當(dāng)電流大于限定值的時(shí)候，使用繼電器常閉觸點(diǎn)斷開進(jìn)行保護(hù)。用MSP430單片機(jī)控制繼電器的常開常閉的吸合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)電路工作的功能。如圖5所示：

4 軟件設(shè)計(jì)

　　MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有高、中、低速多個(gè)時(shí)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(shí)器，使得整個(gè)電路不需要任何擴(kuò)展就能完成對(duì)電源輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)采集、PI控制、PWM輸出；同時(shí)MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)的軟件采用C語言編寫，整個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)電壓參考值的設(shè)定，電壓電流的切換顯示。通過LED實(shí)現(xiàn)參考電壓的設(shè)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(jī)的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)系統(tǒng)輸出的電壓值和負(fù)載電流進(jìn)行采集。

　　PI控制模塊：此模塊用來對(duì)系統(tǒng)輸出電壓進(jìn)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(jī)的TimerB定時(shí)器的比較功能，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)MOSFET的信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　通過單片機(jī)MSP430軟件設(shè)計(jì)，對(duì)PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關(guān)頻率，能達(dá)到穩(wěn)壓的效果，使以上前3個(gè)指標(biāo)能達(dá)到良好的效果。而能否對(duì)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(guān)元件之后，效率主要受開關(guān)頻率的影響、儲(chǔ)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(duì)此系統(tǒng)的進(jìn)行綜合測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

6 結(jié) 語

　　本開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)采用低功耗的TI公司的16位單片機(jī)MSP430F449片機(jī)最小系統(tǒng)板為控制核心，以PWM控制技術(shù)，閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，高精度的12位A／D轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，完成了采樣值顯示與設(shè)置電壓值的功能和參數(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過單片機(jī)MSP430軟件設(shè)計(jì)，對(duì)PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關(guān)頻率，能達(dá)到穩(wěn)壓的效果。