1 引 言
MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的新一代16位單片機(jī),，是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器(MixedSignal Processor)，它具有低電壓、超低功耗,、強(qiáng)大的處理能力,、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè),、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn),，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍,。開關(guān)Boost穩(wěn)壓電源利用開關(guān)器件控制,、無源磁性元件及電容元件的能量存儲(chǔ)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(chǔ)在電感器中,，或以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電容器中，然后將能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載,。對(duì)DC-DC主回路采用Boost升壓斬波電路,。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總設(shè)計(jì)方案
本開關(guān)穩(wěn)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(qiáng)大的單片機(jī),，其低功耗的優(yōu)點(diǎn)有利于系統(tǒng)效率高的要求,，且其ADC12是高精度的12位A／D轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)；PWM波產(chǎn)生,，基準(zhǔn)電壓設(shè)定,；電壓電流顯示；過電流保護(hù)等,。
系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 DC／DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主硬件電路由電源部分、整流濾波電路,、DC／DC轉(zhuǎn)換電路,、驅(qū)動(dòng)電路、MSP430單片機(jī)等部分組成,。交流輸入電壓經(jīng)整流濾波電路后經(jīng)過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(jù)升壓斬波電路的工作原理一個(gè)周期內(nèi)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(chǔ)能的大小通過的電流與電感值有關(guān)。在實(shí)際電路中電感的參數(shù)則與選取開關(guān)頻率與輸入／輸出電壓要求,，根據(jù)實(shí)際電路的要求選用合適的電感值,，且要注意其內(nèi)阻不應(yīng)過大,，以免其損耗過大減小效率采樣電路。對(duì)于電容的計(jì)算,，在指定紋波電壓限制下,，它的大小的選取主要依據(jù)式(2)：
式(2)中：C為電容的值；D1為占空比,；TS為MOSFET的開關(guān)周期,；I0為負(fù)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?yàn)椴蓸有盘?hào)要輸入單片機(jī)MSP430內(nèi)部,，其內(nèi)部采樣基準(zhǔn)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(dāng)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。首先考慮效率問題,，康銅絲不能選擇過大,，同時(shí)MSP430基準(zhǔn)電壓為2.5 V,，且所需康銅絲需自制,。考慮以上方面在康銅絲阻值選取上約為0.1 Ω,。
3.3 PWM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
電力MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小,，采用三極管驅(qū)動(dòng)即可滿足要求，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示,。
由于單片機(jī)為弱電系統(tǒng),，為保證安全需要與強(qiáng)電側(cè)隔離，防止強(qiáng)電側(cè)的電壓回流,，燒壞MSP430,，先用開關(guān)光耦進(jìn)行光電隔離，再經(jīng)三極管到MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路IR2101,。MSP430產(chǎn)生的PWM波,，經(jīng)過光耦及后面的IR2101芯片，在芯片的5管腳輸出的PWM波接到MOSFET的門極G端，使其工作,。IR2101是專門用來驅(qū)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(cè)的輸出參考電平,。門極提供的電壓范圍是10～20 V,。
3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
過電流保護(hù)是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負(fù)載輸出電流對(duì)電源和負(fù)載的損壞,。當(dāng)電流大于限定值的時(shí)候,，使用繼電器常閉觸點(diǎn)斷開進(jìn)行保護(hù)。用MSP430單片機(jī)控制繼電器的常開常閉的吸合,，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)電路工作的功能,。如圖5所示：
4 軟件設(shè)計(jì)
MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有高、中,、低速多個(gè)時(shí)鐘源,，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率,；430F449有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,、硬件乘法器以及帶有PWM輸出功能的TIMERA和TIMRB定時(shí)器，使得整個(gè)電路不需要任何擴(kuò)展就能完成對(duì)電源輸出電壓,、電流的實(shí)時(shí)采集,、PI控制、PWM輸出,；同時(shí)MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊,，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單,。本設(shè)計(jì)的軟件采用C語(yǔ)言編寫,，整個(gè)程序包括的子模塊有：鍵盤控制模塊、A／D電壓和電流采集模塊,、PI控制模塊和PWM波發(fā)生模塊等幾個(gè)部分,，軟件流程圖如圖6所示。
鍵盤控制和顯示模塊：通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)電壓參考值的設(shè)定,，電壓電流的切換顯示,。通過LED實(shí)現(xiàn)參考電壓的設(shè)定與顯示，通過LCD顯示電壓和電流的采集值,。
AD電壓和電流采集模塊：通過MSP430單片機(jī)的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊,，對(duì)系統(tǒng)輸出的電壓值和負(fù)載電流進(jìn)行采集。
PI控制模塊：此模塊用來對(duì)系統(tǒng)輸出電壓進(jìn)行控制,，使輸出電壓穩(wěn)定,。其控制原理如圖7所示,。
PWM波發(fā)生模塊：利用MSP430單片機(jī)的TimerB定時(shí)器的比較功能，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)MOSFET的信號(hào),。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過單片機(jī)MSP430軟件設(shè)計(jì),，對(duì)PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關(guān)頻率，能達(dá)到穩(wěn)壓的效果,，使以上前3個(gè)指標(biāo)能達(dá)到良好的效果,。而能否對(duì)紋波電壓限制，主要在于整流濾波電路中電容,，因此高耐壓的支撐電解電容的選取是重要的,。
MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有高、中,、低速多個(gè)時(shí)鐘源,，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率,；430F449有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,、硬件乘法器以及帶有PWM輸出功能的TIMERA和TIMRB定時(shí)器，使得整個(gè)電路不需要任何擴(kuò)展就能完成對(duì)電源輸出電壓,、電流的實(shí)時(shí)采集,、PI控制、PWM輸出,；同時(shí)MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊,，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單,。本設(shè)計(jì)的軟件采用C語(yǔ)言編寫,，整個(gè)程序包括的子模塊有：鍵盤控制模塊、A／D電壓和電流采集模塊,、PI控制模塊和PWM波發(fā)生模塊等幾個(gè)部分,，軟件流程圖如圖6所示。
鍵盤控制和顯示模塊：通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)電壓參考值的設(shè)定,，電壓電流的切換顯示,。通過LED實(shí)現(xiàn)參考電壓的設(shè)定與顯示，通過LCD顯示電壓和電流的采集值,。
AD電壓和電流采集模塊：通過MSP430單片機(jī)的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)系統(tǒng)輸出的電壓值和負(fù)載電流進(jìn)行采集,。
PI控制模塊：此模塊用來對(duì)系統(tǒng)輸出電壓進(jìn)行控制,，使輸出電壓穩(wěn)定。其控制原理如圖7所示,。
PWM波發(fā)生模塊：利用MSP430單片機(jī)的TimerB定時(shí)器的比較功能,，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)MOSFET的信號(hào),。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過單片機(jī)MSP430軟件設(shè)計(jì)，對(duì)PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關(guān)頻率,，能達(dá)到穩(wěn)壓的效果,，使以上前3個(gè)指標(biāo)能達(dá)到良好的效果。而能否對(duì)紋波電壓限制,，主要在于整流濾波電路中電容,，因此高耐壓的支撐電解電容的選取是重要的。
在選定開關(guān)元件之后,，效率主要受開關(guān)頻率的影響,、儲(chǔ)能電感的內(nèi)阻以及線路中其他器件損耗影響，因此在器件選取上要注重其損耗的高低,。對(duì)此系統(tǒng)的進(jìn)行綜合測(cè)試,，結(jié)果如表1所示。
6 結(jié) 語(yǔ)
本開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)采用低功耗的TI公司的16位單片機(jī)MSP430F449片機(jī)最小系統(tǒng)板為控制核心,，以PWM控制技術(shù),，閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，高精度的12位A／D轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ),，完成了采樣值顯示與設(shè)置電壓值的功能和參數(shù)指標(biāo),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過單片機(jī)MSP430軟件設(shè)計(jì)，對(duì)PI調(diào)節(jié)選定合理參數(shù)及開關(guān)頻率,，能達(dá)到穩(wěn)壓的效果,。