周細(xì)義,，陳松，彭鑫,，榮軍,，謝澤明
（湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,，湖南 岳陽 414006）
摘要：設(shè)計(jì)了一種基于微處理器（MSP430G2553）的簡易數(shù)字控制開關(guān)電源,。電源系統(tǒng)主電路采用單端反激式變換器，控制電路采用PWM調(diào)制方式控制TLP250進(jìn)行隔離驅(qū)動,。整個(gè)電源系統(tǒng)通過PID算法對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制,，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括前級保護(hù)電路,、整流橋電路,、反激式功率變壓器、驅(qū)動電路,、控制環(huán)路以及輸出濾波電路設(shè)計(jì)等,。在完成整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后,，整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)都通過了測試。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸出電壓5 V~20 V可調(diào),，輸出電壓誤差小于5%,，效率高于75%，負(fù)載調(diào)整小于3%,，最大輸出紋波電壓為84 mV,，并且具有過壓保護(hù)、界面顯示等功能,。
關(guān)鍵詞：數(shù)字控制,；開關(guān)電源；反激式變換器,；脈沖寬調(diào)制
0引言
開關(guān)電源的功率管要求工作在高頻狀態(tài)下,因此它具有效率高,、損耗小以及功率密度高等特點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制和家用電器等領(lǐng)域 ［1-2］。目前大多數(shù)開關(guān)電源采用模擬控制方式,其缺點(diǎn)是體積和重量大,、誤差大以及維修和升級不便等,。為了解決以上問題，數(shù)字控制開關(guān)電源已逐步取代模擬控制［34］,。參考文獻(xiàn)［5］,、［6］采用DSP作為數(shù)字控制芯片，其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)變換器運(yùn)行速度快,，缺點(diǎn)是DSP算法比較復(fù)雜，尤其是在控制多個(gè)開關(guān)管開通與關(guān)斷的情況下,。因此本文研究了以微處理器MSP430G2553作為控制核心的簡易開關(guān)電源,，數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后經(jīng)過測試具有設(shè)計(jì)容易、成本低,、體積小,，并具有較高的精度，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于湖南理工學(xué)院省級電工電子實(shí)驗(yàn)室,，取得了不錯(cuò)的成效,。
1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及主電路介紹
1.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖
簡易數(shù)字控制開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由輸入整流濾波,、開關(guān)變換器,、控制電路和輸出整流濾波4部分組成。其中開關(guān)變換器采用反激式變換器,，控制電路采用數(shù)字控制芯片STM32F103RCT6對整個(gè)開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)控,。
1.2主電路工作原理介紹
數(shù)字控制開關(guān)電源主電路采用單端反激式變換器，其電路如圖2所示,，主要由高頻變壓器T1,、功率MOS管Q1,、無源鉗位RCD電路和輸出整流電路組成。其工作過程是由PWM脈沖控制功率管Q1開通和關(guān)斷,，當(dāng)MOS管Q1導(dǎo)通時(shí),，高頻變壓器T1的初級繞組Np上便被施加輸入電壓，由于次級整流二極管D1反接,，T1的次級繞組Ns沒有電流流過,。當(dāng)功率管Q1關(guān)斷時(shí)，T1的次級繞組Ns上電壓極性呈現(xiàn)上正下負(fù),，整流二極管D1正向?qū)?，功率管Q1導(dǎo)通期間儲存在變壓器T1中的能量便通過整流二極管D1向輸出負(fù)載釋放。
2系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
數(shù)字控制開關(guān)電源工作原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,，主要包括整流電路,、RCD鉗位電路、反激變換電路,、輸出濾波電路,、反饋電路以及控制電路等。220 V交流電壓Ui經(jīng)過降壓變壓器變?yōu)榻涣麟?8 V,，再通過整流橋和濾波后變?yōu)?5 V左右的直流,，主控芯片通過產(chǎn)生PWM脈沖來控制反激變換器進(jìn)行DCDC變換，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的電壓,。為了保證最終輸出電壓穩(wěn)定,，需要進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，主控芯片內(nèi)置ADC對輸出電壓Uo進(jìn)行采樣,，將采樣電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較,，通過對比誤差快速調(diào)整PWM使開關(guān)管做出相應(yīng)調(diào)整，保證輸出電壓穩(wěn)定,。本文通過按鍵對輸出電壓值進(jìn)行設(shè)定,，電壓值由液晶進(jìn)行顯示。
2.1整流濾波電路設(shè)計(jì)
整流濾波電路由整流橋和濾波電容組成,，交流電壓經(jīng)整流橋整流后,，再經(jīng)過一個(gè)濾波電容濾波，輸出直流電壓,，其電路如圖4所示,。在選擇整流橋時(shí)，需要考慮整流橋的最大反向擊穿電壓VBR的耐壓值,， VBR最小取值應(yīng)該滿足式（1）要求,。
VBR>1.25
AC(max)(1)
由于本文中的輸入電壓為交流220 V±20 V，經(jīng)過變壓器降壓后變成交流18 V,，故最大輸入交流為18 V,，因此可計(jì)算出整流橋反向擊穿電壓VBR為：
VBR>1.25×
×18≈32 V(2)
為了確保整流橋的安全,，可選擇60 V 10 A的整流橋。
2.2鉗位電路設(shè)計(jì)
反激變換器在功率管關(guān)斷Q1的瞬間,，由變壓器T1的漏感與功率管Q1的輸出電容造成的諧振尖峰電壓加載在功率管Q1的漏極,，如果不加以限制，功率管Q1很容易被損壞,。因此需在功率管Q1的漏極設(shè)計(jì)RCD鉗位電路,，對諧振尖峰進(jìn)行鉗位。鉗位RCD電路位于如圖5所示反激變換器虛線框圖中,。當(dāng)功率管Q1開通時(shí),，變壓器T1處于儲能狀態(tài)，二極管D2被施加反向電壓,，此時(shí)鉗位電路被斷開,。當(dāng)功率管Q1處于關(guān)斷時(shí)，二極管D2導(dǎo)通,，鉗位電路開始工作,，變壓器T1的漏感能量大部分轉(zhuǎn)移至鉗位電容C1中，并在功率電阻R1上消耗掉,，這樣使變壓器漏感引起的諧振尖峰得到很好的抑制,。
2.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
控制功率管Q1開通和關(guān)斷的脈沖信號源來自本開關(guān)電源系統(tǒng)的主控芯片MSP430G2553，由于直接從主控芯片端口出來的脈沖信號驅(qū)動能力有限,，不足以驅(qū)動MOS管開關(guān),，因此需要設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，提高脈沖信號的驅(qū)動能力,。由于本文采用IRF540的導(dǎo)通電壓在10 V以上,，直接從主控芯片I/O口輸出的PWM脈沖幅度只能達(dá)到3.3 V，不能直接驅(qū)動IRF540,。將PWM脈沖接入光耦TLP250,，其輸出PWM幅度等于光耦的供電電壓,，光耦供電電壓取12 V,，則經(jīng)過驅(qū)動電路后，輸出的PWM脈沖幅度可達(dá)12 V,，可以驅(qū)動IRF540,。驅(qū)動電路如圖6所示［7］。
2.4輸出采樣電路設(shè)計(jì)
反饋回路中需要對輸出電壓進(jìn)行采樣,，由于設(shè)定的輸出電壓在5 V~20 V,，采樣ADC不能直接對輸出電壓進(jìn)行采樣，因此需要設(shè)計(jì)采樣電路,。采樣電路主要由分壓電路和濾波電路組成,。對于分壓電路,，本文采用的主控芯片內(nèi)置ADC只能對3.3 V以下的電壓進(jìn)行準(zhǔn)確測量，因此需要對輸出電壓進(jìn)行分壓,?？梢赃x擇分壓倍數(shù)為10倍的分壓電阻。經(jīng)過分壓后采樣電壓是原來的1/10,，電壓從5 V~20 V變?yōu)?.5 V~2 V,，同時(shí)誤差電壓相應(yīng)地縮減為原來的1/10。為使ADC采樣電壓更加精確,，可設(shè)計(jì)濾除采樣電壓中由開關(guān)頻率引起的電壓毛刺,，因此在ADC采集前設(shè)計(jì)一個(gè)二階無源低通濾波器對采樣電壓濾波。輸出采樣電路如圖7所示,。
2.5輔助電源電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用的器件中有些是有源器件,，有源器件對供電電壓要求不一，故本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)輔助電源,，對不同器件進(jìn)行供電［8］,。本系統(tǒng)中，主要是對驅(qū)動芯片TLP250和主控模塊分別進(jìn)行供電,。TLP250的供電電壓設(shè)計(jì)為12 V,，主控模塊設(shè)計(jì)的供電電壓為5 V。對于12 V電源設(shè)計(jì)采用三端集成穩(wěn)壓器LM7812作為12 V輔助電源穩(wěn)壓器,，LM7812三端穩(wěn)壓器外圍電路簡單,，輸入電壓最大可達(dá)40 V，輸出電壓為穩(wěn)定的12 V,，采用LM7812可將系統(tǒng)輸入的25 V左右直流穩(wěn)壓至12 V給TLP250供電,，其電路圖如圖8所示。
5 V輔助電源的設(shè)計(jì)采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805,，LM7805外圍電路簡單,，輸出電壓穩(wěn)定，采用LM7805可將12 V轉(zhuǎn)為5 V,。其電路設(shè)計(jì)如圖9所示,。
2.6系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)
軟件設(shè)計(jì)主要完成以下工作：（1）運(yùn)用AD對輸出電壓采樣，運(yùn)用PID算法進(jìn)行快速PWM脈寬調(diào)制,，使輸出電壓穩(wěn)定,；（2）通過按鍵控制輸出電壓實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)制；（3）能通過LCD液晶顯示輸出電壓值,。為使程序易于編寫,、查錯(cuò)、測試、維護(hù),、修改,、更新和擴(kuò)充，在軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì),，將整個(gè)軟件劃分為初始化模塊,、ADC信號采集模塊、PID運(yùn)算處理模塊,、PWM波生成模塊,、液晶顯示模塊以及按鍵設(shè)置模塊。其中,，以PID運(yùn)算處理模塊為核心,，軟件主流程圖如圖10所示［910］。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
數(shù)字控制開關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓交流220 V±20 V,；輸出電壓可調(diào)范圍為5~20 V,；輸出電壓精度小于±5%，且步進(jìn)1 V可調(diào),，同時(shí)具有輸出電壓數(shù)字顯示功能,；負(fù)載調(diào)整率≤2%，輸出紋波≤100 mV,，電源效率≥75%,；最大輸出功率為60 W。數(shù)字電源設(shè)計(jì)完成后的電路實(shí)物圖如圖11,，對其進(jìn)行測試,，測試儀器選用FLUKE 17B數(shù)字萬用表以及RIGOL MSO2202A數(shù)字存儲示波器。下面分別給出輸出電壓精度測試,、電源效率測試,、紋波測試以及負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果。
3.1輸出電壓精度測試
首先對開關(guān)電源所帶負(fù)載分別為空載和有載情況下進(jìn)行輸出電壓精度測試,，結(jié)果分別如表1和表2所示,，其中表中的UO為理論電壓值，U′O為實(shí)際輸出電壓,，從表中可以看出電源空載和有載運(yùn)行時(shí),，其誤差最大為5%，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。
3.2電源效率測試
本文對電源效率的測量采用計(jì)算法,，在開關(guān)電源接入輕負(fù)載和滿負(fù)載的情況下分別進(jìn)行測試,。輕負(fù)載測試條件選擇輸出電壓10 V,，輸出電流1 A。開關(guān)電源系統(tǒng)正常工作情況下,，輸出接入10 Ω/20 W功率電阻,，輸出電壓調(diào)至10 V,，此時(shí)測得輸入電壓Uin為25.1 V，輸入電流Iin為0.45 A,，輸出電壓UO為9.8 V,，輸出電流Io為0.97 A。根據(jù)效率計(jì)算公式可得輕負(fù)載條件下的效率為：
滿負(fù)載測試條件選擇輸出電壓20 V,，輸出電流3 A,。開關(guān)電源系統(tǒng)正常工作情況下，輸出接入6.5 Ω/100 W功率電阻,，輸出電壓調(diào)至20 V,，此時(shí)可測得Uin為25.2 V，Iin為3.1 A,，測得UO為20.2 V,，Io為2.95 A。同樣可以算出滿負(fù)載條件下的效率為：
從上面計(jì)算可知系統(tǒng)在輕負(fù)載和滿負(fù)載情況下系統(tǒng)效率均大于75%,，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,。
3.3紋波測試
本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源輸出的紋波屬于高頻窄波，所以選擇峰峰值作為開關(guān)電源紋波的測量方法,。輸出紋波在輕負(fù)載和重負(fù)載測試結(jié)果分別如圖12和13所示,。從圖中可以看出在輕負(fù)載情況下，紋波最大值為52 mV,，在重負(fù)載情況下,，紋波最大值為84 mV，完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)小于100 mV的要求,。
3.4負(fù)載調(diào)整率測試
負(fù)載調(diào)整率的測試方法為在交流輸入情況下,，分別測量負(fù)載為空載和重負(fù)載的直流輸出電壓U1和U2，然后根據(jù)式（5）可得到負(fù)載調(diào)整率,。
通過測試得到U1為15.2 V,、U2為14.8 V，則計(jì)算得到負(fù)載調(diào)整率為：
4結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字控制直流開關(guān)電源系統(tǒng),，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程為：系統(tǒng)的方案論證,、核心器件的選型、模塊化的硬件設(shè)計(jì),、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的綜合調(diào)試,。從測試數(shù)據(jù)來看，本設(shè)計(jì)的指標(biāo)都已達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，電壓精度,、輸出電壓紋波、負(fù)載調(diào)整率、AC/DC變換效率等都很好地滿足了設(shè)計(jì)要求,。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 胡賽純,印超.基于TMS320F2812的反激式數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,23(1):27 31.
［2］ 徐涵.基于藍(lán)牙的心電采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：東華大學(xué),，2013.
?。?］ 劉志春,蘇震,李世誠,等.數(shù)字開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展分析［J］.艦船電子工程,2009,29（1）:34 37,78.
［4］ 高銳,陳丹,楊貴恒.開關(guān)電源的數(shù)字控制技術(shù)［J］.通信電源技術(shù),2009,26(3):35 39.
?。?］ 張國龍,，鄭琛瑤.DSP數(shù)字控制開關(guān)電源設(shè)計(jì)及控制算法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(21):149 151,155.
