基于STC12 C5410AD單片機的數字電源設計

引言

數字電源目前主要應用在數據通信、存儲、服務(wù)器等性能和智能化要求較高的領(lǐng)域。在美國TI公司等半導體企業(yè)的推動(dòng)下，數字電源技術(shù)有了快速發(fā)展。

業(yè)界都比較認同TI公司對數字電源所下的定義：

數字電源就是數字化控制的電源產(chǎn)品，它能提供配置、監控和管理功能，并延伸到對整個(gè)回路的控制。

數字電源具有以下特點(diǎn)：數字化控制的電源轉換，以MCU(微控制器)或DSP(數字信號處理器)為核心，它能實(shí)現PWM(脈寬調制)穩壓回路控制、軟件啟動(dòng)等功能;數字電源管理，對電壓和電流等電源輸出進(jìn)行配置的功能;采用整合數字電源(fusion digital power)技術(shù)，實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數字組件的優(yōu)化組合，例如，功率級所用的模擬組件——MOsFET驅動(dòng)器，可以方便地與數字電源控制器相連并實(shí)現各種保護;能達到很高的技術(shù)指標，例如，其PWM分辨力可達150 ps(10 S～12 S)水平，這是傳統開(kāi)關(guān)電源所望塵莫及的;大量的電源管理和一些電源控制功能是通過(guò)PMBus(電源管理總線(xiàn))實(shí)現的，PMBus是一種開(kāi)放標準的數字電源管理協(xié)議，該協(xié)議是2004年10月由2家世界領(lǐng)先的電源公司Artesyn Technologies和AstecPower，以及6家世界領(lǐng)先的半導體企業(yè)共同建立。

1 數字電源的硬件設計

數字電源屬于開(kāi)關(guān)電源類(lèi)產(chǎn)品，其主要的性能指標有：紋波與噪聲、電源轉換效率、輸出電壓穩定度、保護與安全特性。性能指標數據的高低直接影響數字電源產(chǎn)品的品質(zhì)好壞。本文重點(diǎn)介紹數字電源的系統組成、PWM穩壓回路和電源濾波電路的設計。

1.1 系統組成

數字電源有MCU控制和DSP控制兩種解決方案。本數字電源系統采用MCU控制方案，整個(gè)系統由主控制器、PWM穩壓回路、電流電壓取樣電路、鍵盤(pán)顯示電路、電源濾波電路等組成，其系統的框圖見(jiàn)圖1。數字電源的主控制器是深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)、具有A/D 轉換和PWM 功能、高速/低功耗STC12C5410AD型單片機，其內部配有10 kB程序存儲器和512 B的RAM。電流電壓的取樣信號反饋到單片機的A/D輸入端，經(jīng)數字信號處理分析，單片機輸出PWM信號，控制PWM穩壓回路的功率開(kāi)關(guān)管的導通或截止，經(jīng)功率電感的充放電實(shí)現能量轉換。

用戶(hù)不僅能從顯示器上觀(guān)察到當前的電源參數，還可通過(guò)鍵盤(pán)隨時(shí)修改電源參數。單片機通用串行口實(shí)現上位計算機與數字電源之間通信。

1.2 PWM 穩壓回路設計

考慮到功率MOSFET的諸多優(yōu)點(diǎn)，PWM穩壓回路中的半導體功率開(kāi)關(guān)器件用MOSFET取代晶體管。

PWM穩壓回路如圖2所示。

MOSFET驅動(dòng)電路是由R1、R2、R3、C2、V1和V2組成，MOSFET管的開(kāi)關(guān)頻率可以很高，所需驅動(dòng)功率很小，容易驅動(dòng)，是高頻小功率變換器的理想功率器件。MOSFET管的輸入阻抗很高，其導通和關(guān)斷就相當于輸入電容充放電過(guò)程。

MOSFET過(guò)高的輸入電容C 對7}=父轉換速度起很甭要的作用，降低C 影響，足MOSFET驅動(dòng)電路改計的承點(diǎn)。

MOSFET的等效輸入電容為：

1.3 電源濾波電路設計

電源要求輸出盡量小的紋波及噪聲，濾波電容在開(kāi)關(guān)電源中對抑制電源的紋波及噪聲起著(zhù)非常露要的作用，選擇品質(zhì)優(yōu)良、ESR(低等效串聯(lián)電阻)的電容是提高濾波效果的關(guān)鍵。

根據開(kāi)關(guān)電源盼沒(méi)計理論，以降壓BUCK拓撲結構的開(kāi)關(guān)穩壓器為例，開(kāi)關(guān)電源的紋波電壓AV為：

式中，f。 為MOSFET的導通時(shí)問(wèn);R 為ESR值。

從輸出紋波電壓△ .的表達式導出，在給定的條件下，針對一個(gè)所期望的頻率范圍來(lái)選擇和R ，選擇比較合適的電感值后，決定輸出電壓紋波大小的主要因素是輸出電容的R 。

因低R 電容(如鉭電容和日本三洋OSCON電容)成本較高，所以，本電源系統降低輸出電容R嘞的方法是：在保持輸出電容總容量不變的前提下，把原來(lái)的一個(gè)電容拆分成幾個(gè)電容的并聯(lián)，這樣，隨著(zhù)電容容量的減少其 EsR相應減少，幾個(gè)電容并聯(lián)后，總的尺是單個(gè)電容的幾分之一;如果選用電容的耐壓值適當提高，單個(gè)電容的 可進(jìn)一步降低，這是因為同容量的電容，耐壓提高其 咖變小。采用以上設計方法后，輸出電容的 大幅度下降，輸出電壓紋波明顯減小。

電源濾波電路見(jiàn)圖3，符合設計要求。

2 數字電源的軟件設計

編制軟件一方面必須與已建立的硬件電路密切配合，另一方面要滿(mǎn)足產(chǎn)品的設計要求。本系統軟件采用編編與c語(yǔ)言混合編程實(shí)現，主要包括單片機控制軟件及上位機界面和通信軟件。程序流程圖見(jiàn)圖4。