一種測試系統數字穩壓電源的設計方案

中心議題：

探討測試系統數字穩壓電源的設計方案

解決方案：

采用S3C2440為核心處理器

采用PID控制以保證電壓電流精度和穩定度

引 言

直流穩壓電源是一種比較常見(jiàn)的電子設備，一直被廣泛地應用在電子電路、實(shí)驗教學(xué)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現了以單片機、嵌入式ARM 為核心的高集成度處理器，并在自動(dòng)化、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應用。電源行業(yè)也開(kāi)始采用內部集成資源豐富的嵌入式控制器來(lái)實(shí)現數字穩壓電源的控制系統。數字穩壓電源是用脈寬調制波（PWM）來(lái)控制MOS管等開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)閉，從而實(shí)現電壓電流的穩定輸出。數字穩壓電源還具備自診斷功能，能實(shí)現過(guò)壓過(guò)流保護、故障警告等。

相比之前的模擬電源，數字穩壓電源大大減少了在模擬電源中常見(jiàn)的誤差、老化、溫度漂移、非線(xiàn)性不易補償等諸多問(wèn)題，提高了電源的靈活性和適應性。將SAMSUNG公司的嵌入式ARM 處理器S3C2440芯片應用到實(shí)驗室測試系統數字穩壓電源的設計中，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，實(shí)現一種以嵌入式ARM 處理器為核心，具備PID控制器以及觸摸屏等功能的測試系統數字穩壓電源控制系統。

1 測試系統數字穩壓電源組成及工作原理

數字穩壓電源由主控制器、PWM 穩壓電路、電壓電流取樣電路、PID控制器、觸摸屏組成，系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

本電源對輸出的電壓電流信號進(jìn)行采樣，進(jìn)行PID控制，最后輸出PWM 驅動(dòng)波形調節輸出電壓。輸出電壓提供給芯片測試平臺，供其測試芯片時(shí)使用。

前端交流電源輸入到整流模塊，經(jīng)整流濾波后輸出平穩的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊。

高精度A/D轉換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變?yōu)閿底至抗┙oS3C2440進(jìn)行數字PID運算，經(jīng)過(guò)PID 控制器運算后，由S3C2440輸出PWM 至IGBT,從而構成一個(gè)閉環(huán)控制系統，控制電壓電流穩定輸出，從而實(shí)現數字穩壓電源設計，提供給芯片測試系統使用。ARM 控制器通過(guò)觸摸屏實(shí)現人機交互界面，在觸摸屏上設置參數和顯示信息。

2 硬件設計

2.1 ARM 控制系統組成

鑒于PID運算和PWM 波輸出模塊要求高，通過(guò)考查，選擇SAMSUNG公司的S3C2440,這是一款32位基于A(yíng)RM920T內核的CPU,擁有高達400MHz的頻率，完全能滿(mǎn)足PID控制器運算的實(shí)時(shí)性要求；16位的定時(shí)器，可實(shí)現精度高達0.03μs的PWM 脈沖波，并且有防死區功能；24個(gè)外部中斷源，完全可以滿(mǎn)足對系統外部故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)響應；內部嵌入LCD控制器，并擁有DMA通道，使得電壓電流值能夠實(shí)時(shí)顯示在LCD上，還可以通過(guò)觸摸屏設計一些所需的參數；多達140個(gè)通用I/O口，可以方便地擴展外部接口和設備；擁有8通道多路復用ADC,10位的數字編碼，高達500kSPS轉換率，滿(mǎn)足了測試系統所需的A/D轉換精度。

2.2 PWM 穩壓電路設計

脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation,PWM）原理是PWM 調制信號對半導體功率開(kāi)關(guān)器件的導通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一些列幅值相等而寬度不相等的脈沖，經(jīng)過(guò)處理后得到穩定的直流電壓輸出。

PWM 調制信號由ARM 主控制器根據設定的電壓值，按一定的規則對各脈沖寬度進(jìn)行調制后給出脈沖信號。

PWM 穩壓電路如圖2所示。

圖2 PWM 穩壓電路

半導體功率開(kāi)關(guān)器件其開(kāi)關(guān)轉換速度的快慢直接影響電源的轉換效率和負載能力，本系統PWM 穩壓電路中，驅動(dòng)電路由電阻、電容、晶體管和場(chǎng)效應管組成，MOSFET是電壓?jiǎn)螛O性金屬氧化硅場(chǎng)效應晶體管，所需驅動(dòng)功率很小，容易驅動(dòng)。MOSFET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。根據所選器件的參數，計算出滿(mǎn)足的條件，保證驅動(dòng)電路提供足夠大的過(guò)充電流，實(shí)現MOSFET 快速、可靠的開(kāi)關(guān)。

3 軟件設計

采用S3C2440為核心處理器，其豐富的片上資源和優(yōu)秀的運算速度，保證了系統的實(shí)時(shí)性，編寫(xiě)軟件主要以C語(yǔ)言進(jìn)行驅動(dòng)和應用程序的開(kāi)發(fā)，其大容量存儲器，完全能滿(mǎn)足系統程序的數據存儲。

該測試系統中ARM 處理器所要實(shí)現的主要功能和軟件實(shí)現方法如下。

3.1 PWM 波產(chǎn)生

PWM 用于對電路中IGBT 的驅動(dòng)。根據輸出采樣，設定和調整定時(shí)器配置寄存器TCFGn 和定時(shí)器n計數緩存寄存器TCNTBn中的值來(lái)改變輸出PWM 波的周期和脈沖寬度。修改TCNTBn的值可以控制PWM 波的占空比增加或減少1,PWM 輸出占空比增加或者減少千分之一，可以達到千分之一的控制精度。

3.2 監控和保護系統

為了使數字穩壓電源能夠可靠、安全地為測試系統提供電壓，該系統設置了監控和保護系統，主要用于過(guò)流保護和過(guò)壓保護等，ARM 處理器對電壓和電流采用雙重檢測，當電壓電流超出所設定的危險值范圍時(shí)，聲光報警，并啟動(dòng)保護電路。

3.3 PID控制算法

PID控制器由比例、積分、微分控制器組合，將測量的受控對象（在本系統中為電壓電流值）與設定值相比較，用這個(gè)誤差來(lái)調節系統的響應，以達到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的控制過(guò)程。

在數字穩壓電源PID控制系統中，使用比例環(huán)節控制電壓電流的輸出與輸入誤差信號成比例改變，但是這里會(huì )存在一個(gè)穩態(tài)誤差，即實(shí)際值與給定值間存在的偏差，因此需要引入積分環(huán)節來(lái)消除穩態(tài)誤差以提高系統精度。但由于電源系統在導通、關(guān)斷時(shí)，產(chǎn)生積分積累，會(huì )引起電壓電流超調，甚至會(huì )出現震蕩。為了減小這方面的影響，設定給定一個(gè)誤差值范圍，當電壓電流與設定工作值的誤差小于這一給定值時(shí)，采用積分環(huán)節去消除系統比例環(huán)節產(chǎn)生的穩態(tài)誤差。PID控制算法設定閾值ε，當|e（k）|>ε時(shí)，采用PD控制環(huán)節，減少超調量，使系統有較快的響應；當|e（k）|ε時(shí)，采用PID控制，以保證電壓電流精度和穩定度。在電壓達到千分之一精度范圍后，需要加入積分環(huán)節，以完成電源開(kāi)機時(shí)迅速穩定的輸出。PID算法流程圖如圖3所示。