一種基于MSP430單片機的開關電源設計

郭 鍵，朱 杰，董萍萍

（北京物資學院 信息學院，北京 101149）

在不同的電子產品研發過程中、一些電子設備檢修場合、硬件電路的電氣特性測試中都會需要不同電壓值的直流電源，可調式直流穩壓電源是各類電子設備不可或缺的組成部分。

目前常用的直流穩壓電源分為線性電源和開關電源兩大類[1]。線性穩壓電源亦稱串聯調整式穩壓電源，其穩壓性能好，輸出紋波電壓小，但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網進行隔離，并且調整管的功率損耗較大，致使電源的體積和重量大、效率低，很難在輸出大于5A的場合應用[2-3]。而被譽為高效節能的開關電源，具有體積小，重量輕，輸入電壓范圍寬，保護功能齊全等優點，廣泛地應用于照相機、攝像機、PDA、手提電腦、便攜式檢測設備以及工業自動化、航空、儀表儀器等領域，正逐漸成為穩壓電源的發展方向[4-8]。

1 傳統開關電源的工作原理及不足

開關電源是通過調整工作在開關狀態的晶體管的導通或關斷的時間來調整輸出電壓的。開關穩壓電源電路一般包括誤差放大器、基準源、鋸齒波發生器、PWM比較器、開關管、二極管和電感等。

1.1 傳統開關電源的工作原理

傳統的開關電源的輸出電壓首先經過電阻采樣網絡，之后與內部基準電壓進行比較，兩者之差經誤差放大器濾波、放大、翻轉，其輸出作為脈沖寬度調制器（PWM）兩個輸入之一。PWM比較器的另一個輸入是鋸齒波，這樣在PWM比較器的輸出端就得到了占空比正比于誤差放大器輸出值的方波，即PWM比較器輸出的變化量是開關脈寬。所以，若輸出上升，誤差放大器的輸出電壓下降，占空比變小以使輸出變小；反之則誤差放大器的輸出電壓上升，占空比變大以使輸出變大，此即為開關電源調節系統的工作原理。圖1是buck拓撲結構開關穩壓電源。

如圖1所示，穩態時，連接R1和R2的節點的電壓可認為（幾乎）等于VREF。忽略Z1與電阻節點間的電流，通過歐姆定律可有 R2/（R1+R2）=VREF/VOUT，故輸出電壓為 VOUT=VREF*（1+R1/R2）。在將控制環路理論應用到該電源中時，一般只關注變化（或者擾動），而不關注直流量。若誤差放大器只是普通的電壓反饋型運算發達器，則下位分壓電阻R2只起到直流偏置作用，在交流環路分析中不起任何（直接的）作用。

圖1 buck拓撲結構開關穩壓電源Fig.1 Buck topology of switching power supply

1.2 傳統開關穩壓電源的不足

一般而言，開關穩壓電源是通過改變對輸出電壓的采樣比例來調節輸出電壓值的。普通可調式直流穩壓電源采用多圈機械電位器用作輸出電壓調整。機械電位器存在機械磨損、震動、頻繁動作容易損壞等缺點。另外，用作可調式直流穩壓電源的電壓調整還存在著調壓困難、調整的精度低、一致性差等不足。隨著電子技術的發展，出現了利用數字電位器代替多圈電位器的可調式直流電源。但數字電位器的輸出分辨力較低，一般在10位以下，調整精度也不能達到很高的水平。為緩解此不足，文中設計了一種新型的電壓可調直流穩壓開關電源。

2 新型電壓可調直流穩壓開關電源工作原理

本設計只針對直流變直流部分，不涉及由交流電源轉換為直流電源的部分。為使輸出電壓可調，文中通過在R1和R2的節點處引入一電阻R3和設定電壓VSET來實現，如圖2所示。

圖2 設定電壓圖Fig.2 Figure of setting voltage

穩態工作時假定Z1與3個電阻節點間沒有電流流過，則VFB=VREF，因此VOUT、VFB及VSET3者間的關系表達式由電路的疊加原理有：

上式中Rx//Ry為x和y兩個電阻并聯后的電阻值，則有：

將VFB=VREF帶入上式得：

由式（2）可見，VSET與VOUT成反比線性關系，因此通過設定不同的給定電壓，即可得到不同的輸出電壓，實現了輸出電壓的調節。

3 新型的電壓可調直流穩壓開關電源的設計

3.1 新型的電壓可調直流穩壓開關電源的硬件設計

本電壓可調開關電源硬件部分主要包括輔助電源系統、系統主電路、系統單片機電路等幾個主要部分。

3.1.1 輔助電源系統

電壓可調開關電源的輔助電源系統如圖3所示。

系統由一片集成DCDC轉換芯片TPS5430及其外圍電感、電阻電容和二極管組成的電源電路把直流電壓+24 V轉換成+6 V DC，+6 V DC通過線性電源芯片LT1764EQ及其所屬電路元件獲得+5 VA電源，+5 VA通過線性電源芯片REG1117-3.3及其所屬電路元件得到+3.3 V電源。+3.3 V給系統的單片機及數字接口供電；+5 VA給運算放大器OPA2350及電壓基準源供電。

3.1.2 系統主電路

系統主電路如圖4所示。

系統主電路實現電壓的可調輸出，電源變換電路采用buck拓撲結構，+24 V由成熟的ACDC電源電路部分供給。圖4中A區為電源變換電路部分，B區電路產生設定電壓 VSET。

圖4A 區中，U2（TPS5430DDA）、L2（電感）、VD2（續流二極管）、C8、C9、R1、R2及 R3構成了 buck 拓撲的 DCDC 降壓變換電路。TPS5430DDA引腳4在工作時電位被鉗位在1.221 V，將圖2中R1、R2和 R3的值代入式（2），得圖 4電路的電壓輸出公式為（單位V）：

圖3 輔助電源Fig.3 Auxiliary power supply

圖4 系統主電路Fig.4 Main circuit of the system

由式（3）得出，VSET小于0.164 1 V時VOUT得到最大值，即輸入電壓24 V，VSET大于0.164 1 V后，VOUT隨著VSET的增加而線性減小，其比例系數為-10。C6和C7為輸入電容；R6和R9組成輸出電壓采樣網絡，單片機通過片上集成的12位模數轉換器對輸出電壓信號進行采樣，以對輸出電壓進行監控，必要時對輸出電壓進行調整；U9 （INA138NA）、R27、R28、R29及C41組成輸出電流采樣電路，單片機通過片上集成的12位模數轉換器對輸出電流信號進行采樣，實現對輸出電流的監控和過流保護。

圖4 B區是含2階RC濾波的脈沖寬度調制信號轉模擬信號的電路。單片機輸出的PWM波驅動MOS管VT1，使得VT1工作在開關狀態，忽略VT1的導通電阻，則其漏極端在其導通時為0 V，關斷時為2.5 V，因此2階RC低通濾波的輸入是脈沖高度是2.5 V的脈沖寬度調制信號，濾波后直流量被OPA2350放大后作為設定電壓送到R3。

3.1.3 系統的單片機電路

電路圖如圖5所示。

圖5 系統的單片機電路Fig.5 Single-chip circuit of the system

單片機U7利用自身集成的12位模數轉換器實現對輸出電流電壓的采樣，引腳61是輸出電流信號的輸入，引腳60是輸出電壓信號的輸入，單片機檢測到輸出電流超過設定值后，通過禁止U2而關斷輸出電壓，實現過流保護；單片機檢測輸出電壓，若由于元器件參數的離散性或系統的時間漂移或溫度漂移等導致輸出偏離設定值，則可對輸出電壓進行控制調節，從而降低系統的溫漂、時漂和元器件參數容差的影響。引腳44輸出到U2（TPS5430DDA）的使能信號引腳5（中間通過R7），只有引腳44輸出高電平時U2才能工作，輸出可調的電壓。鍵盤電路的K1連接到U7的引腳20上，K2連接到U7的引腳21上，電源上電后輸出默認值，按K1鍵升高輸出電壓，按K2鍵降低輸出電壓。

3.2 新型的電壓可調直流穩壓開關電源的軟件設計

電源控制程序流程圖如圖6所示。

程序工作過程如下：外電源上電后，輔助電源工作，控制系統啟動，單片機電源使能信號輸出零來禁止電源工作，接著單片機以最大占空比輸出PWM波，然后再使能電源工作，此時電源輸出電壓最低。此后使用者通過鍵盤輸入需要的輸出電壓，單片機根據用戶輸入調整PWM占空比，并間隔固定時間采樣輸出的電壓電流，若采樣電壓與期望輸出電壓差值超過設定值，則程序調整PWM波的占空比，以此調整輸出電壓。當檢測到輸出電流大于最大允許輸出電流時，則認為系統出現過流故障，單片機電源使能信號輸出零來禁止電源工作，以此實現過流保護。

圖6 程序控制流程圖Fig.6 Program control flow graph

4 結 論

開關電源因其自身節能高效等特性代表著穩壓電源的發展方向，而逐漸成為穩壓電源的主流產品。本文分析傳統開關電源的原理及不足，提出了一種新型的電壓可調的開關穩壓電源的設計與實現方式。在不改變電源轉換電路反饋的動態性能的前提下，實現了對輸出電壓的可調。同時單片機采樣電流信號，實現輸出的過流保護；通過采樣輸出電壓信號，降低了電源的溫漂、時漂和元器件參數容差造成的輸出誤差。同時電壓設定量通過PWM信號轉換為模擬信號獲得，可有效降低系統成本，并達到輸出電壓較高的分辨力。

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