一种基于MSP430单片机的开关电源设计

第2O卷第19期VO120NO19电子设计工程ELECTRONICDESIGNENGINEERING2012年10月OCT2012一种基于MSP430单片机的开关电源设计郭键，朱杰，董萍萍北京物资学院信息学院，北京101149摘要开关电源因其具有体积小、高效节能等优点而逐渐取代线性电源。成为稳压电源的发展方向。文中介绍了现有的直流开关电源的工作原理，分析了其不足之处，提出了新型的电压可调的开关电源的软硬件实现方式。在不改变电源转换电路反馈的动态性能的前提下，实现了对输出电压的可调。该电源还具有对输出的过流保护、较低的因电源温漂、时漂、元器件参数容差而造成的输出误差、较低成本、较高的输出分辨力等优点。关键词电压可调；开关电源；直流稳压；分辨力；过流保护中图分类号TN86文献标识码A文章编号16746236201219013405DESIGNOFADCSWITCHINGPOWERSUPPLYBASEDONMSP430GUOJIAN，ZHUJIE，DONGPINGPINGINFORMATIONSCHOOL，BEJINGWUZIUNIVERSITY，BERING101149，CHINAABSTRACTBECAUSEOFTHEADVANTAGESOFSMALLSIZE，HIGHEFFICIENCYANDENERGYSAVING，SWITCHINGPOWERSUPPLYGRADUALLYREPLACESLINEARPOWERANDBECOMESTHEDEVELOPMENTDIRECTIONOFTHEPOWERSUPPLYTHEWORKINGPRINCIPLEANDDEFICIENCIESOFTHEEXISTINGDCSWITCHINGPOWERSUPPLYISANALYZEDANAHARDWAREANDSOFTWAREIMPLEMENTATIONOFANEWSWITCHINGPOWERSUPPLYWITHTUNABLEVOLTAGESAREPUTFORWARDINTHEPREMISEOFNOCHANGEOFTHEOUTPUTVOLTAGECIRCUITFEEDBACKDYNAMICPERFORMANCE，OUTPUTVOLTAGECANBEADJUSTABLETHEPOWERHASTHECHARACTERISTICSOFOVERCURRENTPROTECTIONFOROUTPUTANDLOWERELTORCAUSEDBYTEMPERATUREDRIFT，TIMEDRIFT，COMPONENTPARAMETERTOLERANCEANDLOWERCOST，HIGHEROUTPUTRESOLUTION，ETCKEYWORDSTUNABLEVOLTAGE；SWITCHINGPOWER；DCPOWER；RESOLUTION；OVERCURRENTPROTECTION在不同的电子产品研发过程中、一些电子设备检修场合、硬件电路的电气特性测试中都会需要不同电压值的直流电源可调式直流稳压电源是各类电子设备不可或缺的组成部分。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类【1。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好输出纹波电压小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大致使电源的体积和重量大、效率低，很难在输出大于5A的场合应用23。而被誉为高效节能的开关电源，具有体积小，重量轻，输入电压范围宽保护功能齐全等优点，广泛地应用于照相机、摄像机、PDA、手提电脑、便携式检测设备以及工业自动化、航空、仪表仪器等领域，正逐渐成为稳压电源的发展方向删。1传统开关电源的工作原理及不足开关电源是通过调整工作在开关状态的晶体管的导通或关断的时间来调整输出电压的。开关稳压电源电路一般包括误差放大器、基准源、锯齿波发生器、PWM比较器、开关收稿日期20120608稿件编号201206068管、二极管和电感等。11传统开关电源的工作原理传统的开关电源的输出电压首先经过电阻采样网络，之后与内部基准电压进行比较，两者之差经误差放大器滤波、放大、翻转。其输出作为脉冲宽度调制器PWM两个输入之一。PWM比较器的另一个输人是锯齿波，这样在PWM比较器的输出端就得到了占空比正比于误差放大器输出值的方波，即PWM比较器输出的变化量是开关脉宽。所以，若输出上升误差放大器的输出电压下降，占空比变小以使输出变小；反之则误差放大器的输出电压上升，占空比变大以使输出变大。此即为开关电源调节系统的工作原理。图1是BUCK拓扑结构开关稳压电源。如图1所示，稳态时，连接和的节点的电压可认为几乎等于REF。忽略ZL与电阻节点间的电流，通过欧姆定律可有R2N1们2REF，0UR，故输出电压为VOUTVREFIRL。在将控制环路理论应用到该电源中时，一般只关注变化或者扰动，而不关注直流量。若误差放大器只是普通的电压反馈型运算发达器，则下位分压电阻只起到直流偏置作用，在交流环路分析中不起任何直接的作用。基金项目北京市属高等学校人才强教计划资助项目PHR201007145，PHR201108311；2010年北京市优秀人才培养资助项目20L0D0O50090O0OO2；科研基地一科技创新平台一现代物流信息与控制技术研究PXM2012014214000067作者简介郭键1975一，女，辽宁锦州人，博士，副教授。研究方向智能仪器仪表开发及模型优化等。134郭键等一种基于MSP430单片机的开关电源设计图1BUCK拓扑结构开关稳压电15【FIG1BUCKTOPOLOGYOFSWITCHINGPOWERSUPPLY12传统开关稳压电源的不足J0UR1VN一R1V一般而言开关稳压电源是通过改变对输出电压的采样112413比例来调节输出电压值的。普通可调式直流稳压电源采用多将VRSREF带入上式得圈机械电位器用作输出电压调整。机械电位器存在机械磨VOVR1L_REF一R12损、震动、频繁动作容易损坏等缺点。另外，用作可调式直流由式2可见，V与成反比线性关系，因此通过设稳压电源的电压调整还存在着调压困难、调整的精度低、一定不同的给定电压，即可得到不同的输出电压，实现了输出致性差等不足。随着电子技术的发展，出现了利用数字电位电压的调节。器代替多圈电位器的可调式直流电源。但数字电位器的输出分辨力较低一般在10位以下，调整精度也不能达到很高的3新型的电压可调直流稳压开关电源的设计水平。为缓解此不足，文中设计了一种新型的电压可调直流31新型的电压可调直流稳压开关电源的硬件设计稳压开关电源。本电压可调开关电源硬件部分主要包括辅助电源系统、2新型电压可调直流稳压开关电源工作原理系统主电路、系统单片机电路等几个主要部分。311辅助电源系统本设计只针对直流变直流部分不涉及由交流电源转换为直流电源的部分。为使输出电压可调，文中通过在尺。和尺的节点处引入一电阻和设定电压来实现，如图2所示。输图2设定电压图FIG2FIGUREOFSETTINGVOLTAGE稳态工作时假定Z1与3个电阻节点间没有电流流过则VREF，因此、及3者间的关系表达式由电路的叠加原理有瓦R；IIROUR1上式中R为和Y两个电阻并联后的电阻值，则有OUR电压可调开关电源的辅助电源系统如图3所示。系统由一片集成DCDC转换芯片S5430及其外围电感、电阻电容和二极管组成的电源电路把直流电压24V转换成6VDC，6VDC通过线性电源芯片LT1764EQ及其所属电路元件获得5VA电源。5VA通过线性电源芯片REGLL1733及其所属电路元件得到33V电源。33V给系统的单片机及数字接口供电；5VA给运算放大器OPA2350及电压基准源供电。312系统主电路系统主电路如图4所示。系统主电路实现电压的可调输出，电源变换电路采用BUCK拓扑结构，24V由成熟的ACDC电源电路部分供给。图4中A区为电源变换电路部分。B区电路产生设定电压VSET。图4A区中，TPS5430DDA、L2电感、VD2续流二极管、C9、R、R及构成了BUCK拓扑的DCDC降压变换电路。TPS5430DDA引脚4在工作时电位被钳位在1221V将图2中R、R2和3的值代入式2，得图4电路的电压输出公式为单位V256411O螂3由式3得出，小于01641V时0UR得到最大值，即一】35电子设计工程2012年第19期图3辅助电源FIG3AUXILIARYPOWERSUPPLYB区0PA2350UA图4系统主电路FIG4MAINCIRCUITOFTHESYSTEM输入电压24V，VSER大于O1641V后，0UR随着鲫的增加而线性减小，其比例系数为一LO。和C7为输人电容；R和R组成输出电压采样网络，单片机通过片上集成的12位模数转换器对输出电压信号进行采样，以对输出电压进行监控，必要时对输出电压进行调整；U9INA138NA、R孙R孙R嚣及G4。组成输出电流采样电路，单片机通过片上集成的L2位模数转换器对输出电流信号进行采样，实现对输出电流的监控和过流保护。图4B区是含2阶RC滤波的脉冲宽度调制信号转模拟一】36信号的电路。单片机输出的PWM波驱动MOS管VT1，使得VT1工作在开关状态，忽略VT1的导通电阻则其漏极端在其导通时为0V。关断时为25V。因此2阶RC低通滤波的输入是脉冲高度是25V的脉冲宽度调制信号，滤波后直流量被OPA2350放大后作为设定电压送到。313系统的单片机电路电路图如图5所示。单片机U7利用自身集成的L2位模数转换器实现对输出电流电压的采样，引脚61是输出电流信号的输入。引脚60郭键。等一种基于MSP430单片机的开关电源设计确IAIJNTJAGNDLGND勰33VAC33C25V10LLUF口C34TC3616V10FLJ33VA6N【_F1M0L刻删。U0H田U们一凸Z一；言；乏昌皇昌暑呈昌晏晏暑DVCC昌P54MCLKP63A3P53UCLK1P64A4P52SOMIIP65A5P51SIMOIP66A6P5OSTE1P67A7P47TBCLKVREFP46TB6XLNMSP430F149LPMP45TB5XOUTP44TB4VEREFP43TB3VREF一VEREFP42TB2P10TACLKP41TB1P1ITA0P40TB0P12TA1P37URXDIP13TA20P36UTXD1P14SMCLK羞吾P35URXD0UL_0000。詈羞昌G。昌宝宝詈盆毒普舌毒毒盆盆昌呈导图5系统的单片机电路FIG5SINGLECHIPCIRCUITOFTHESYSTEM是输出电压信号的输入。单片机检测到输出电流超过设定值后，通过禁止U2而关断输出电压，实现过流保护；单片机检测输出电压，若由于元器件参数的离散性或系统的时间漂移或温度漂移等导致输出偏离设定值则可对输出电压进行控制调节，从而降低系统的温漂、时漂和元器件参数容差的影响。引脚44输出到U2TPS5430DDA的使能信号引脚5中间通过R7，只有引脚44输出高电平时U2才能工作，输出可调的电压。键盘电路的K1连接到U7的引脚20上。K2连接到U7的引脚21上，电源上电后输出默认值，按K1键升高输出电压，按K2键降低输出电压。32新型的电压可调直流稳压开关电源的软件设计电源控制程序流程图如图6所示。程序工作过程如下外电源上电后辅助电源工作，控制系统启动，单片机电源使能信号输出零来禁止电源工作，接着单片机以最大占空比输出PWM波，然后再使能电源工作，此时电源输出电压最低。此后使用者通过键盘输入需要的输出电压，单片机根据用户输入调整PWM占空比。并间隔固定时间采样输出的电压电流，若采样电压与期望输出电压差值超过设定值，则程序调整PWM波的占空比，以此调整输出电压。当检测到输出电流大于最大允许输出电流时，则认为系统出现过流故障，单片机电源使能信号输出零来禁止电源工作，以此实现过流保护。使能信号输出O禁电源工4结论50V001UFT08AGNDVAGND键盘电路33V外电源上电使能信号输出0禁止电源工作输出最大占空比PWM波，是电源电压最使能信号输出1使能电源工作接收键盘输入根据键盘输入设PWM占空比输出PWM波采样电压、电流瓣维持PWM波的占空比不变图6程序控制流程图FIG6PROAMCONTROLFLOWGRAPH开关电源因其自身节能高效等特性代表着稳压电源的一L37TI暑NO譬如电子设计工程2012年第L9期发展方向，而逐渐成为稳压电源的主流产品。本文分析传统开关电源的原理及不足，提出了一种新型的电压可调的开关稳压电源的设计与实现方式。在不改变电源转换电路反馈的动态性能的前提下，实现了对输出电压的可调。同时单片机采样电流信号，实现输出的过流保护；通过采样输出电压信号，降低了电源的温漂、时漂和元器件参数容差造成的输出误差。同时电压设定量通过PWM信号转换为模拟信号获得，可有效降低系统成本。并达到输出电压较高的分辨力。参考文献【1谢万新，贾少锐，李丽宏，等基于DSP的高精度开关电源的实现【J微计算机信息，2006，2272188190XIEWANXIN，JIASHAORUI，LILIHONG，ETA1REALIZEOFHIGHACCURACYSWITCHMODEPOWERSUPPLYBASEDONDSPJMICROCOMPUTERINFORMAION，2006，2272188190【2】许晓航，孔明，李文宏一种高频数字DCDC开关电源控制器的设计J复旦学报自然科学版，2008，4714045XUXIAOHANG，KONGMING，LIWENHONGDESIGNOFCONTROLLEROFHIGHFREQUENCYDIGITALDCDCSWITCHINGPOWERSUPPLYJJOURNALOFFUDANUNIVERSITYNATURALSCIENCE，2008，4714045【3】孟建辉开关电源的基本原理及发展趋势J通信电源技术，2009，2666264MENGJIANHUIBASICPRINCIPLESANDDEVELOPMENTTRENDSOFSWITCHINGMODEPOWERSUPPLYJTELECOMPOWERTECHNOLOGY，20HD926662644王兴贵，邹应炜，刘金龙全桥型DCDC开关电源的建模与控制J电力电子技术，2007，4178688WANGXINGGUI，ZOUYINGWEI，LIUJINLONGMODELINGANDCONTROLOFFULLBRIDGEDCDCSWITCHINGPOWERSUPPLYJPOWERELECTRONICS，2007，4178688【5】马瑞卿，任先进一种基TTOP224Y的单片开关电源设计J】计算机测量与控制，2007，152235238MARUIQING，RENXIANINDESIGNOFSINGLECHIPSWITCHINGPOWERSUPPLYBASEDONTOP224YJCOMPUTERMEASUREMENTCONTROL，2007，152235238【6】毛鸿，吴兆麟，沈琦高精度开关稳压电源的系统分析与设计J电力电子技术，1999214MAOHONG，WUZHAOLIN，SHENQISYSTEMANALYSISANDDESIGNOFHIGHPRECISIONSWITCHINGPOWERSUPPLYJPOWERELECTRONICS，19992147】丘涛文开关电源的发展及技术趋势【电力技术，200835456QIUTAOWENDEVELOPMENTANDTECHNOLOGYTRENDSOFTHESWITCHINGPOWERSUPPLYJELECTRICPOWERTECHNOLOGY，200835456【8】于遵谨基于单片机的开关电源测试系统的设计J】计算机测量与控制，2008，163306310YUZUNJINDESIGNOFTESTINGSYSTEMFORSWITCHINGPOWERSUPPLYBASEDONMCUJCOMPUTERMEASUREMENTCONTRO120O8，163306310上接