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單片機實(shí)現開(kāi)關(guān)電源的設計

作者: 時(shí)間:2011-07-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

1 引 言
MSP430系列是美國TI公司生產(chǎn)的新一代16位單片。開(kāi)關(guān)Boost穩壓電源利用開(kāi)關(guān)器件控制、無(wú)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(shí)把能量以磁場(chǎng)的形式存儲在電感器中,或以電場(chǎng)的形式存儲在電容器中,然后將能量轉換到負載。對DC—DC主回路采用Boost升壓斬波電路。
2 系統結構和總方案
本開(kāi)關(guān)穩壓電源是以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,其低功耗的優(yōu)點(diǎn)有利于系統效率高的要求,且其ADCl2是高精度的12位A/D轉換模塊,有高速、通用的特點(diǎn)。這里使用MSP430完成電壓反饋的PI調節;PWM波產(chǎn)生,基準電壓設定;電壓電流顯示;過(guò)電流保護等。
系統框圖如圖1所示。

3 硬件電路
3.1 DC/DC轉換電路
系統主硬件電路由電源部分、整流濾波電路、DC/DC轉換電路、驅動(dòng)電路、MSP430等部分組成。交流輸入電壓經(jīng)整流濾波電路后經(jīng)過(guò)DC/DC變換器,采用Boost升壓斬波電路DC/DC變換,如圖2所示:
根據升壓斬波電路的工作原理一個(gè)周期內電感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(guò)的電流與電感值有關(guān)。在實(shí)際電路中電感的參數則與選取開(kāi)關(guān)頻率與輸入/輸出電壓要求,根據實(shí)際電路的要求選用合適的電感值,且要注意其內阻不應過(guò)大,以免其損耗過(guò)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式(2):

式(2)中:C為電容的值;D1為占空比;TS為MOSFET的開(kāi)關(guān)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.O,P6.1為MSP430芯片的采樣通道,P6.O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內部,其內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(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(wèn)題,康銅絲不能選擇過(guò)大,同時(shí)MSP430基準電壓為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O.1Ω。3.3 PWM驅動(dòng)電路的設計
電力MOSFET驅動(dòng)功率小,采用三極管驅動(dòng)即可滿(mǎn)足要求,驅動(dòng)電路如圖4所示。

由于單片機為弱電系統,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(kāi)關(guān)光耦進(jìn)行光電隔離,再經(jīng)三極管到MOSFET的驅動(dòng)電路IR210l。MSP430產(chǎn)生的PWM波,經(jīng)過(guò)光耦及后面的IR2101芯片,在芯片的5管腳輸出的PWM波接到MOS—FET的門(mén)極G端,使其工作。IR2101是專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅動(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,其具有高低側的輸出參考電平。門(mén)極提供的電壓范圍是10~20 V。
3.4 保護電路的設計
過(guò)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的過(guò)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(shí)候,使用繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)進(jìn)行保護。用MSP430單片機控制繼電器的常開(kāi)常閉的吸合,自動(dòng)恢復電路工作的功能。如圖5所示:


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