基于STC8A系列單片機的Zeta型數控電源設計與實現*

龍本錦，張 靖，徐邦賢，何 宇，張 英

（貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025）

1 引 言

STC8A系列單片機的價格[1]低于數字信號處理器[2]，運行速度比傳統8051單片機更快，且內部集成了ADC、PWM模塊，無需外部復位電路和晶振電路即可正常使用，因此能夠實現開關型數控電源的閉環控制，同時對開關電源產生的高頻干擾[3]具有較強的抗干擾特性。STC8A以其優良的抗干擾性強，可實現較為復雜的、運算速度較快數學運算。15位的PWM可獲得較高的輸出電壓的步進精度，且供電電壓范圍較寬，待機功耗較低，具有應用于開發低成本數字電源的潛力。在此以Zeta型升降壓變換器為控制對象，采用STC8A8K64D4單片機作為變換器的數字控制主控芯片，搭配PI單環算法對輸出電壓進行閉環控制，再通過實驗加以驗證。

2 總體設計框圖

Zeta型升降壓電源的設計以STC8A8K64D4作為主控，主要完成硬件電路和控制算法設計兩部分，包括：Zeta型升降壓電路、開關管驅動模塊、AD信號預處理模塊、輔助電源模塊、STC8A最小系統模塊、開關管過流保護電路等，共同實現對輸出電壓的控制功能。控制器總體設計框圖如圖1所示。

圖1 Zeta型數控電源總體設計框圖

3 系統設計

3.1 Zeta型升降壓電路分析

數控Zeta變換器主電路如圖2所示，它由輸入電感Lin、隔直電容Cb1、輸出電感Lout、輸出電容Cout1、Cout2，開關管Q1、Q2組成，具有輸入、輸出電壓同相位，可升降壓的特點。通過驅動模塊施加一組互補的PWM脈沖信號令Q1、Q2互補導通，使V_Sw處產生方波電壓，經Lout、Cout1、Cout2濾波后輸出直流電壓供負荷使用。

圖2 數控Zeta變換器主電路

3.2 MOS管驅動模塊

MOS管驅動電路如圖3所示。其中包括：由IR公司生產的驅動芯片IRS2004、充電（隔離）二極管D1、自舉電容C2，下拉電阻R1，阻尼電阻R2，鉗位二極管D2組成。

圖3 MOS管驅動模塊電路

輸入信號PWM_IN接至74HC245D的B0管腳接收來自MCU的PWM脈沖控制信號，經內部電平移動電路、低邊MOS管驅動增強電路，產生一組180°互補的驅動信號DRV_1和DRV_2，實現驅動MOS管Q1和Q2互補導通。PWM_SD為MOS管驅動的閉鎖信號，低電平有效，與過流保護電路相連接，實現MOS管過流保護。

3.3 AD采樣預處理模塊

輸出電壓Vout的范圍在0～30 V之間，并含有一定量的開關紋波，需要通過信號預處理電路進行信號縮放、濾波，才能送至MCU進行AD轉換。預處理電路如圖4所示。其中，R4、R7、C4組成一階濾波器對輸出電壓中的直流成分縮放至0～3 V，對高頻紋波進行旁路，并由R5、R3、運放U2A對C4兩端電壓放大2倍，經運放U2B進行驅動放大2倍，再次由R6、C3組成的一階濾波電路送至MCU的P1.1引腳進行采樣。

圖4 AD采樣預處理模塊電路

3.4 STC8A8K64D4最小系統

最小系統模塊如圖5所示，由STC8A單片機、ADC基準芯片、電源濾波器件、串行下載接口組成。單片機的工作電壓范圍為2.7～5 V，內部ADC轉換器的精度為12位。

圖5 STC8A8K64D4最小系統模塊電路

此處所采用的工作頻率為40 MHz。設定PWM模塊的PWMC寄存器為2048，PWM的輸出頻率為20 kHz。為防止變換器向最小系統的電源輻射高頻干擾，通過在輔助供電模塊供電端與AVCC引腳之間插入π型濾波結構，以增強主控的抗干擾能力。圖5中ADC接口P1.1處采用開關型二級管D12、D13將輸入電壓限制在-0.6～5.5 V之間，防止AD預處理模塊輸出超過5.5 V電壓而燒毀單片機接口。

3.5 電壓模式單環PI控制算法

采用離散式PI單環控制算法[4-6]對輸出電壓進行閉環控制，實現穩壓功能。控制算法通過PWM中斷進行調用，每個PWM周期運行一次PI單環控制算法。離散系統的控制框圖如圖6所示。VREF(2048)為欲設定的電壓值，反饋值為寄存器ADC_RES與ADC_RESL高二位組合的值；控制算法的輸出賦值到PWM0T1寄存器。當PWM的計數值大于PWM0T1寄存器的值時，引腳P2.0輸出為低電平，反之，輸出為高電平。PWM中斷的觸發方式為歸零觸發，ADC的采樣時刻設置為產生PWM中斷的時刻，PI參數采用試湊法[7-8]在線調節確定。

圖6 離散PI算法控制框圖

4 實驗驗證

實驗樣機如圖7所示。采用一個型號為220 V/20 V的變壓器將市電轉換為20 V的交流電，經濾波整流后輸出直流電壓為27 V，作為變換器的主電源，輸出端接一個10Ω的可變電阻器。

圖7 實驗樣機實物圖

輸出電壓隨負載變化的波形圖如圖8所示。輸出電壓調至11 V，輸出端負載突增時，電壓有所下降，但能夠在5 ms內從振蕩恢復到穩態；負載突減時，能夠在10 ms以內恢復到穩態。STC8A8K64D4的這一運算速度，已能夠滿足數字電源的控制需求，也能夠在較短的周期內完成PI控制算法，滿足Zeta型升降壓電源的閉環控制需求。

圖8 輸出電壓隨負載變化的波形圖

5 結束語

采用STC8A單片機控制的Zeta升降壓電路輸出電壓對負載的突變響應速度較快，僅次于高端的DSP控制器。負載突變前后的穩態誤差較小，控制系統的功耗較低、抗干擾性能較好，對主電路的轉換效率影響也較小，綜合所有優點來看，STC8A系列單片機適合用于成本較低、具有中低功耗的數字電源控制器場合。