开关稳压电源
摘要
本作品是一个实现交流—直流—直流转换开关电源，该系统采用了低功耗的TI MSP430单片机最小系统板，在该板上实现了下列控制及测量功能，包括 PWM控制技术，闭环PI调节，高精度的12位A/D转换，可完成比较准确的电压电流测量，及基准电压值的设定。经过测试，输出电流范围是0~2A；实现了宽范围的24~38V电压调节，电压调整率达到了0.28%；负载调整率达到了0.27%；纹波电压低于0.55V；效率达到了83% 。该作品还具有数字设定及显示功能。其制作工艺良好，装置具有整体框架，抗震动性能好。在主电路中，DC/DC变换器采用Boost升压电路，MOSFET开关器件、低损耗的空心电抗器及高耐压的支撑电解电容，具有工作可靠，低损耗的突出优点。
关键词：开关电源，Boost电路，PWM ， 低功耗， 高精度A/D
Abstract
The device is a switch power source which can realize AC/DC/DC conversion device，the system adopt Micro Computer Unit (MCU) TI MSP430 minimum system board of lower power dissipation，using it can realize control and measurement function，including PWM control technology, closed loop PI regulate，high-accuracy A/D conversion of 12 Median ，and completing more high precise voltage current measure，setting up the reference voltage value。Through the measurement，output current range of 0~2A；realizing wide voltage regulate range of 24~38V;voltage adjust rate reaches 0.28%；load regulate rate also can reach 0.279%; ripples wave voltage is below 0.55V; Power efficiency is achieved in 83% . The device have setting about digital and display function. In other aspects, its fabrication technological is fine，device have integral frame, and its resist vibrates performance is good. In main circuit, DC/DC convector using Boost circuit，MOSFET switch device ,low loss hollow reactor , support electrolysis capacity of high endure voltage, outstanding advantage in working reliably and low loss.
Key words：Switch power source; Boost voltage circuit; PWM; low power loss;
high-accuracy A/D conversion
前言
开关稳压电源利用开关器件控制作用、无源磁性元件及电容元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感器中，或以电场的形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换，本次开关稳压电源的理论根据就在于此，并通过电压反馈进行PI调节。
一、 方案论证与比较
１
1．DC—DC主回路拓扑
开关稳压电源拓扑结构可分为两种基本类型，即非隔离型(在工作期间，输入电源和输出负载共用一个电流通路)和隔离型(能量转换是用一个相互藕合的磁性元件——变压器来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是公用的电路)[2]。
方案一：采用Boost电路，为非隔离型，此电路能将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。当电路工作为稳态时，输出电压 U0=TU2/toff。其中T为一个工作周期，toff为一周期内开关关断时间，T/toff>1。由此能获得一个高于输入电压的稳定电压而且其动态反应快，转换效率高，结构也简单。
方案二：采用隔离型，选择有正向变换器和推挽变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。其输出电压与变压器的匝数比有关，受变压器性能影响，电路也稍复杂。
因此对DC—DC主回路采用Boost电路。
2．开关控制方案
控制开关器件的占空比，就可以使输出电压升高(或降低)，以获得一稳定的输出电
压。设开关器件的一工作周期为T，在一个周期内，导通时间为t，则占空比定义为D=t/T。
方案一：脉冲宽度调制(PWM)，脉冲宽度控制是保持开关频率(开关周期T)不变，通过改变t来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的。
方案二：脉冲频率调制(PWF)，频率控制方式是保持导通时间t 不变，通过改变频率(即开关周期T)而达到改变占空比的一种控制方式。
由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，我们采用PWM控制开关电源。
3．PWM实现的方案选择
方案一：采用专用芯片完成，如M51995A集成芯片脉宽调制器是一种性能优良脉宽调制器件可作为各种开关的电源控制器，是开关电源的核心控制器件，其主要特征是集成了全部的脉宽调制电路，能完成PWM的产生与反馈调节，但其硬件电路是较复杂。
方案二：采用软件完成，可用LF2407DSP或MSP430单片机实现，LF2407DSP其产生PWM的功能是强大的，常用于三相电路中，我们这次只需一路PWM，且考虑到后段的采样A/D转化，LF2407DSP的A/D转换精度为10位，因此我们放弃了DSP而采用MSP430单片机完成。其优势在于：系统内置模块就有LCD驱动，12位A/D，定时器等，且功耗低。
4．控制电路方案选择
控制电路是开关电源的核心，它决定开关电源的动态稳定性。其选择有单环与双环控制。单环反馈控制为电压反馈，其电路简单，能达到题目的稳定电压的要求。双环控制时电压环为外环控制，起着稳定输出电压的作用，电流环为内环控制，起稳定输出电流的作用，其效果是良好的，但实现起来比较复杂，硬件电路要求较多，因此在只要求电压稳定的情况下我们就采用了电压单环反馈。
5．提高效率的方法及实现方案
影响效率的因素是开关电源的损耗，其主要包括无源元件损耗和有源器件损耗。无源元件损耗主要是变压器、电感的损耗；有源器件损耗则是功率半导体器件上的开关损耗和导通损耗，占开关电源总损耗的大部分。通常，低电压状态下，导通损耗为主要损耗，而在高压状态下开关损耗则成为主要损耗[3]。
开关过程引起的开关损耗大致占总输入功率的5% ~ 10%，因而，大幅度降低或消除这一损耗可使开关电源的效率提高5%～ 10% ，最有效的方法是软开关技术、零电压开关或零电流开关技术，但其实现是困难且复杂的，在基本能满足要题目的要求下我们采用较低损耗的MOSFET作为开关器件，且注意选取的储能电感的内阻尽可能小以达到要求。 ２
二、 方案的实现及理论分析
1．系统框图
系统框图如下，其中MSP430单片机要完成电压反馈的PI调节，使电压稳定；PWM
波产生，基准电压设定，电压电流显示及过电流保护。 滤波整流电路DC/DC转换电路负载
/D采样 与电压反馈驱动过电流保护电压电流显示msp430单片机
键盘设定基准电压
图1-1系统框图
2．主回路的实现
（1）器件的选择
1）控制器选择
开关电源采用PWM控制，在设计中选择MSP单片机作为控制器，其低功耗的优
点有利于系统效率高的要求，且其高的AD采样精度是我们正需要的。
2）开关器件的选择
IGBT开关速度快，开关损耗低，耐冲击，通态压降低，但其价格比较昂贵。功率
场效应晶体管MOSFET，具有损耗低，驱动电路简单，驱动功率小，工作频率高等优
点，其输入电流非常小，虽然其电流容量低耐压低，不适用与功率超过10kW的电力电
子装置，当对我们低功率电路还是适用的而且其价格也合适，宜采用。
（2）各部分电路的参数选择
1）滤波电路
滤波电路采用一个RC滤波，要想得到比较平滑的波形，应选择稍大的电容，可
采用了4700uF的电解电容。
2）DC/DC变换器器件参数选择
DC/DC变换器采用Boost电路，电路图如图1-1
器件参数：
根据Boost升压电路的工作原
理一个周期内电感L积蓄的能量与
释放的能量相等，即
U0I1ton=I1(U2 -U0)toff。其中I1为
输出电流,电感储能的大小通过的
电流与电感值有关，在实际电路中
电感的参数则与选取开关频率、输
入输出电压有关，根据实际电路的图1-2 BOOST电路
调试我们最终选择的电感值为
0.9mH，且要注意其内阻不应过大，以免其损耗过大减小效率。
３
3）采样电路
采样电路为电压采集与电流采集，采样电路如图1-3，其中P6.0、P6.1为msp430芯片的采样通道,P6.0为电压采集，P6.1为电流采样。
电压采集：因为采样信号要输入单片机MSP430内部，其内部采样基准电压选为
2.5V，因此要将输入的采样电压限制在2.5V之下，考虑安全裕量则将输入电压限制在2V以下，当输入电压为36V时，按1-3参数计算采样电压为：12/（12+200）*36=2.04V，符合要求。
电流采集：采用康铜丝进行采集。首先考虑效率问题，康铜丝不能选择过大，同时MSP430基准电压为2.5V，且所需康铜丝需自制。考虑以上方面我们在康铜丝阻值选取上约为0.1欧。
图1-4驱动电路 图1-3采样电路
4) 开关器件驱动电路
电力MOSFET驱动功率小，采用三极管驱动即可满足要求，驱动电路如图1-4。由于单片机为弱电系统，为保证安全需要与强电侧隔离，以防烧坏MSP430，因此在PWM驱动电路前加光耦进行隔离，电路中的电阻参数由所选的光耦型号其输入电流限定值决定，且要考虑的驱动电路中三极管工作情况，其输入电流要符合所选三极管的型号工作要求，不宜太大或是过小。
4）保护电路的设计
过电流保护是为避免发生包括输出端子短路在内的过电流对电源的损坏。当电流大于限定值的时候，使用继电器常闭触点断开进行保护，电路图如图1-5，用软件控制继电器的断开与吸合，实现自动恢复电路工作的功能。
保护电路参数计算：由于使继电器动作的信号来自单片机的I/O口，其电流并不能驱动继电器工作，因此需再加三极管。由于继电器工作电源为+12V，现以+15V用电阻分压实现，分压电阻选为180欧。
5）数字设定及显示电路设计
数字设定及显示电路的控制是由单片机430软件完成的。
LED显示为动态显示，所以程序中短时间内都需要扫描LED，使它正常显示数值，程序中设定其显示电流值。LCD在未按键之前显示电压值，在按增减两个按键产生中断后对修改的基准电压值进行显示。
４
图1-6为能独立式键盘的硬件电路，上拉电阻选为100K。程序中采用P1口中断方式，通过INC与DEC两键对基准值进行增减变化，步进为一。 6）电源电路 由于单片机最小系统板需要15V的供电电源，光耦与三极管电源也需+15V，根据题目要求不能用外加电源，所以将电路中整流滤波后22V电压采用7815稳压后，实现+15V的直流电源，作为单片机MSP430、光耦的供电电源。 三、 软件设计 图1-5 保护电路 1．单片机430主程序流程 其包括PWM产生、键盘扫描，数据采集，数据计算，显示等几个部分。 其软件主程序流程及部分中断程序流程见附录。 四、实际电路的测试
1）测量仪器
F189万用表，TDS2012示波器，可
调变阻器。
2）测试方法
测量电压调整率：将U2由15V到
21V变化中取15V，18V，21V这三个点进
行测量，测量输出电压UO的变化情况。 图1-6独立式键盘 测量负载调整率：测量电路满载到空
载变化时，输出电压的变化。
测量当IO=2A与IO=0A两点输出电压，测量这两处时保持输入电压U2=18V，发生变化可调至18V。
纹波的测量：主要是使用高精度的示波器进行观察得出。
效率的测量：DC/DC变换器的效率分析主要指的是， DC/DC变换器输出的功率与输入的功率的比值，因此要测量效率测量DC/DC变换器两端输入输出的电压值与电流值，将其功率分别计算，相比。
1．测量数据及数据分析
５
实验结果表明：通过单片机MSP430软件设计，对PI调节选定合理参数及开关频率，能达到稳压的效果，使以上前三个指标能达到良好的效果。而能否满足题目要求的纹波电压限制，主要在于整流滤波电路中电容，因此高耐压的支撑电解电容的选取是重要的。在选定开关元件之后，效率主要受开关频率的影响、储能电感的内阻以及线路中其它器件损耗影响，因此在器件选取上要注重其损耗的高低。而实验结果表明本设计总体上是正确合理的，对实现方案的选取，器件参数选定是正确的。
四．结论
本设计采用了低功耗的TI MSP430单片机最小系统板为控制核心，以 PWM控制技术，闭环PI调节，高精度的12位A/D转换为基础完成了采样值显示与设置电压值的功能，完成了大部分参数指标。
五．参考文献
1 ．张占松 、蔡宣三，开关电源的原理与设计[M] ，北京：电子工业出版社，20xx年出版
2 ．周志敏 、周纪海 、纪爱华，模块化DC_DC实用电路[M]，北京：电子工业出版社，20xx年4月出版
3 ．陈永真, 开关电源进入高效率功率变换时代[J],电源世界, 20xx年2期，1
六、附录
1． 原理图
2． MATLAB仿真
3． 软件程序
4． 部分主要程序的流程图
附录1：原理图
６
我们采用MATLAB进行仿真，对前后端电路分别进行了仿真。 前端电路仿真：
下图为市电220V的经前端电路的整流滤波得到稳定的电压14V，整流滤波效果还行。
图a整流滤波电路
示波器观察输出电压约为36V，纹
图b 滤波后输出的电压波形
小于要求的1V，效率也是符合基本的。
由仿真结果可知此方案在理论上是可以成立的，可以进行实际设计。
图d 最后输出电压波形
图c 斩波及PI调节
30x44x.h "
//--------- LCD显示表----------
const unsigned char lcd_table[12]={ 0x7b, //*"0"*// 0x12, //*"1"*// 0x4f, //*"2"*//
0x1f, //*"3"*// 0x36, //*"4"*// 0x3d, //*"5"*// 0x7d, //*"6"*// 0x13, //*"7"*// 0x7f, //*"8"*//
0x3f, //*"9"*//
后端电路：
给定基准电压为36V，由波为要求
附录3 主要程序 #include "msp4
８
0x00, //*"no"*//
0x00, //*"no"*//
};
//--------LED显示代码表----------------- const unsigned char led_table[12]={
0xd7, //*"0"*//
0x14, //*"1"*//
0xcd, //*"2"*//
0x5d, //*"3"*// 0x1e, //*"4"*//
0x5b, //*"5"*//
0xdb, //*"6"*//
0x15, //*"7"*//
0xdf, //*"8"*//
0x5f, //*"9"*//
0x00, //*"no"*//
0x00, //*"no"*//
};
char ledbit;
int Ua[10]; //电压值
int Ia[10]; //电流值
unsigned int jishu,jishu1;
int U=22; //基准电压，初值22V #define a 18.2
#define R 0.104 //负载值
float II; //LED显示电流 int flag=0;
#define Is 0x1AB //电流保护设定值为2.5A int guoliu=0;
//-------------------------------------------
#define inc BIT3 //增键定义 #define dec BIT2 //减键定义 //----------PI调节-----------------------
#define Kp 0.38
#define Ki 0.00001
#define Umax 10
#define Umin -35
float X=0;
float Kc;
float en;
float Un;
float Uout;
//---- 子程序声明-----
void ledINIT(void);
void led(unsigned char i);
void LCDinit (void);
void display(float DISP);
void shizhong(void);
９
void ADinit (void);
void TIMERA(void);
void TIMERB(void);
void PI(void);
void key(void);
unsigned char keyv(void);
void baohu(void);
void yunsuan(void);
void delay( unsigned long j);
//-------------子程序---------
void shizhong() // 将主系统时钟和子系统时钟都设为4mhz
{ unsigned int i;
FLL_CTL1&=~XT2OFF;
do
{IFG1&=~OFIFG;
for(i=0xFF;i>0;i--);
}
while((IFG1&OFIFG)!=0);
FLL_CTL1=SELM_XT2+SELS;
}
//-----------------AD初始化程序----------------------
void ADinit ()
{
P6SEL = BIT1+BIT0;
ADC12CTL0 = ADC12ON+MSC+SHT0_12+REFON+REF2_5V; // 选择基准电压2.5V ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1; // 序列单次通道采样
ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_1;
ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_1+EOS;
ADC12CTL0 |= ENC;
}
//-------LCD初始化-------------------------
void LCDinit ()
{ int j;
P5SEL=0xfc;
LCDCTL = 0x03D;
BTCTL=BT_fLCD_256;
for (j=0; j<8; ++j) //LCD 清屏
LCDMEM[j] = 0x00;
}
//--------LED初始化-----------------
void ledINIT(void)
{
P3DIR=0xff;
P4DIR|=0x03;
P3OUT=0x00;
P4OUT|=0x02;
１０
P4OUT&=~0x02;
P3OUT=0xff;
P4OUT|=0x01;
P4OUT&=~0x01;
}
void led(unsigned char iI)
{
P3OUT=iI;
P4OUT=0x02;
P4OUT&=~0x02;
P3OUT=~ledbit;
P4OUT=0x01;
P4OUT&=~0x01;
P3OUT=0x00;
}
//-------TIMEA初始化-------------------------
void TIMERA()
{ TACTL = TASSEL_1 + TACLR;
CCTL0 = CCIE; // 比较中断使能
CCR0 = 54;
TACTL |= MC_1; //TIMEA选择增计数模式 }
//-----------TIMEB初始化--------------
void TIMERB(void)
{
TBCTL |= TBSSEL_2 + TBCLR;
TBCCR0 = 2000; // 设定比较器初值
TBCCR2 =1800;
P2DIR |= 8;
P2SEL |= 8;
TBCTL |= MC_3; // BASICTIMER选择增减计数模式 TBCCTL2 = OUTMOD_6+CLLD_2 ; // 在峰值加载新比较值 }
void baohu(void) //过电流保护程序
{
P1OUT|=BIT6; //继电器开启动作
IFG2&=~BTIFG;
IE2|=BTIE; //使能BASICIMER中断
}
//-------P1初始化程序------------------
void key()
{
P1DIR&=~inc+dec;
P1IES|=inc+dec;
P1IE|=inc+dec;
}
１１
void display(float DISP)
{ int m;
int i;
m=(int)(DISP*100);
for (i=0; i<8; ++i) //LCD 清屏
LCDMEM[i] = 0x00;
for (i=0; i<4; i++)
{
if(i==2)
LCDMEM[i]=lcd_table[m%10]+0x80; //第二位加小数点，即为电压值保留一位小数 else
LCDMEM[i] = lcd_table[m%10];
m = m/10;
}
}
//---------PI调节程序-----------
void PI()
{ float va;
float Ua1=0;
int i;
for(i=0;i<10;i++)
{
Ua1+=Ua[i];
}
va=Ua1/10;
va=2.5*a*va /4096;
en=va-U;
Un=X+Kp*en;
Kc=Ki/Kp;
if(Un>Umax)Uout=Umax;
else
if(Un<Umin)Uout=Umin;
else
Uout=Un;
X=X+Ki*en+Kc*(Un-Uout);
if((TBCCR2+3*Uout)<=400)
TBCCR2=400;
else if((TBCCR2+3*Uout)>=1980)
TBCCR2=1980;
else
TBCCR2+=3*Uout;
}
//--------判断是否有键按下程序-----------
unsigned char keyv(void)
{
unsigned char n=0;
if((P1IN&0x0C)!=0x0C)n=1;
return(n);
}
void delay( unsigned long j) //按键去抖动延时程序
１２
{
unsigned long n;
for(n=0;n<j;n++);
}
//-----------主程序-----------------------------------
void main(void)
{ WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; //关看门狗 delay(300000); //启动延时保护
FLL_CTL0 = XCAP18PF; //设置晶振1电容为18PF P1DIR|=1;
P1OUT|=1; //工作指示灯亮
P1DIR|=1+BIT6; //过流保护端口定义 shizhong(); //设置时钟为4M ADinit();
LCDinit ();
BTCTL|=BT_ADLY_2000; //BASICTIMER 2S定时 TIMERA();
TIMERB();
ledINIT();
key();
_EINT();
for(;;)
{
PI(); //循环调节PWM输出
if(jishu1++==100)
{
jishu1=0;
//--------------计算电流电压值程序-----------------
int i;
float Ua1=0; //电压计算中间量
float Ia1=0; //电流计算中间量
float va;
float ia;
for(i=0;i<10;i++)
{
Ua1+=Ua[i];
Ia1+=Ia[i];
}
va=Ua1/10;
ia=Ia1/10;
va=2.5*a*va /4096;
II=ia/4096*2.5/R;
display(va); //电压在LCD显示
}
_BIS_SR(LPM0_bits); // 进入低功耗LPM0
}
１３
}
//-------中断程序-----------------
#pragma vector=BASICTIMER_VECTOR //BASICTIMER中断程序 __interrupt void BASICTIMER_IRS(void)
{
flag++;
if(flag>=5)
{ flag=0;
IE2&=~BTIE;
guoliu=0;
P1OUT&=~BIT6; //继电器关闭动作
}
}
#pragma vector=PORT1_VECTOR
__interrupt void PORT1_INTER (void) //P1中断程序，判断为何键 {P1IFG=0;
if(keyv()!=0)
{
delay(300);
if(keyv()!=0)
{
if ((P1IN&0x0C)==0x04) // 是否P1.3按键，即是否为增键按下 {U++;
if(U>38)U=38;
display(U);
}
else
if ((P1IN&0x0C)==0x08) //是否P1.2按键，即是否为减键按下 { U--;
if(U<20)U=20;
display(U);
}
while(keyv()!=0) //等待按键松开
;
}
}
}
#pragma vector=TIMERA0_VECTOR //TIMERA中断程序 __interrupt void Timer_A (void)
{
Ua[jishu]= ADC12MEM0; //采样送数
Ia[jishu]=ADC12MEM1;
if(guoliu==0)
{
１４
int m;
long iia=0;
for(m=0;m<5;m++) iia+=Ia[m]; iia=iia/5;
if(iia>Is) //判断过流，过流就执行过电流保护程序 {
guoliu=1; baohu(); } }
ADC12CTL0 |= ADC12SC; // 启动AD采样 //---------LED显示处理-------------- ledbit=ledbit>0x08?ledbit>>1:0x40;
switch(ledbit) //选择led的刷新位刷新一位 {
case 8:led_display(led_table[(int)II%10]+0x20);break; case 16:led_display(led_table[(int)(II*10)%10]);break; case 32:led_display(led_table[(int)(II*100)%10]); }
jishu++; if(jishu>=10) { jishu=0;
_BIC_SR_IRQ(LPM0_bits); //清低功耗,进入PI调节 } }
附录4、软件主要程序流程图
１５
图A 主程序 图 C 低功耗跳出执行的程序
图D timeA中断程序