基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源模塊

摘要：傳統(tǒng)的開關(guān)電源一般以恒流或恒壓工作，不能根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)輸出電壓或電流，本文中，我們設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制的開關(guān)電源模塊。該電源模塊是以TI公司的MSP430為控制核心，通過數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制反饋輸出來實(shí)現(xiàn)的。首先介紹了該電源模塊的工作原理及整體設(shè)計(jì)方案，其次介紹了部分關(guān)鍵電路的硬件設(shè)計(jì)，給出了主程序及部分子程序的流程圖。與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比，該電源模塊具有體積小、精度高、電路簡單、輸出電壓連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；開關(guān)電源模塊；數(shù)字控制；PID調(diào)節(jié)

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制功率開關(guān)管(MOSFET、IGBT)開通和關(guān)斷的時(shí)間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源，目前已廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，許多電子產(chǎn)品對電能質(zhì)量的要求越來越高，一些原始電能已經(jīng)無法滿足用戶的需求，必須經(jīng)過電能轉(zhuǎn)換的處理后才能使用。傳統(tǒng)的開關(guān)電源的主要控制方式是采用脈寬調(diào)制集成電路的輸出PWM脈沖，采用模擬PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行脈寬調(diào)制，這種控制方式的缺點(diǎn)為：體積龐大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外界不能及時(shí)地對其工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且一般以恒流或恒壓工作，也不能根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。
為了解決上述控制方式的缺點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一種以TI公司的高性能MSP430單片機(jī)為控制核心的開關(guān)電源模塊，根據(jù)設(shè)定值和電源輸出電壓之差，由單片機(jī)直接對開關(guān)電源模塊的主電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。本開關(guān)電源模塊控制核心是MSP430F449單片機(jī)，它是TI公司生產(chǎn)的功能非常強(qiáng)大的單片機(jī)，其低功耗的優(yōu)點(diǎn)滿足了電源模塊高效率的要求。本電源模塊可以方便外界及時(shí)地對其工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并且能根據(jù)負(fù)載進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

1 工作原理和總體設(shè)計(jì)方案
1．1 工作原理
本開關(guān)電源模塊是由調(diào)壓電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成，調(diào)壓電路改變輸出電壓，單片機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理采集到的電信號，并反饋給調(diào)壓電路。本開關(guān)電源模塊采用數(shù)字控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制反饋輸出，從而控制開關(guān)電源模塊的輸出。由MSP430單片機(jī)采用軟件控制PID調(diào)節(jié)和反饋輸出。
1．2 總體設(shè)計(jì)方案
整個(gè)系統(tǒng)由調(diào)壓電路、輔助電源、采樣電路以及單片機(jī)控制系統(tǒng)等幾部分組成?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

從圖1中可以看到，電能從左側(cè)輸入，右側(cè)輸出。輔助電源給單片機(jī)供電。利用MSP430F449單片機(jī)高速ADC轉(zhuǎn)換通道實(shí)時(shí)采集輸出電壓與輸出電流，并與設(shè)定值比較，根據(jù)采集值和設(shè)定值之間的誤差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 調(diào)壓電路及采樣電路設(shè)計(jì)
如圖2所示，調(diào)節(jié)電路由U1、功率MOSFET等構(gòu)成。U1是TPS40304，是調(diào)節(jié)電路的核心，該芯片提供了各種可編程功能，包括軟啟動設(shè)計(jì)、過電流保護(hù)、環(huán)路補(bǔ)償，該芯片的2號引腳是軟啟動編程引腳，連接到GND的電容CSS為軟啟動提供時(shí)間延遲。相比傳統(tǒng)的普通的整流二極管，導(dǎo)通電阻低的MOSFET整流管壓降低，在低壓大電流場合，可以降低損耗，大大的提高了電源的效率。

采樣電路由U2、R3、R4、RR1和RR2構(gòu)成。U2是MAX9934電流檢測放大器，MAX9934的RS+和RS-引腳接在R3的兩端，該芯片的OUT引腳的輸出電流通過電阻R4產(chǎn)生輸出電壓，該輸出電壓與R3兩端的電壓成正比，反應(yīng)了負(fù)載電流，該電壓由MSP430單片機(jī)采樣。從電阻RR1和RR2的中間取得電壓信號傳給MSP430單片機(jī)的一個(gè)AD引腳，由單片機(jī)采樣，檢測輸出電壓。
2．2 鍵盤控制和液晶顯示模塊
通過鍵盤可以實(shí)現(xiàn)電壓參考值的設(shè)定，輸出電壓和電流的切換顯示。由于MSP430F449單片機(jī)帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動模塊，可以直接將液晶顯示模塊連接在芯片的驅(qū)動端口，顯示電壓和電流的采集值。也可以取消鍵盤和顯示模塊，用MSP430F449自帶的I2C接口，輸入和輸出電壓與電流值，不僅可以減小體積，方便集成化，還可以接收其他電路傳遞來的控制信號。