基于單片機控制的開(kāi)關(guān)穩壓電源設計

　　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、系統工作穩定、豐富的片內外設、方便開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性?xún)r(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著(zhù)極其廣泛的應用范圍。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 系統結構和總設計方案

　　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單片機，其低功耗的優(yōu)點(diǎn)有利于系統效率高的要求，且其ADC12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 硬件電路設計

　　3.1 DC／DC轉換電路設計

　　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(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P6.0，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0.1 Ω。

　　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IR2101。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MOSFET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。