基于MSP430單片機的開關穩(wěn)壓電源設計

1 引 言

MSP430系列單片機是美國TI公司生產的新一代16位單片機，是一種超低功耗的混合信號處理器(MixedSignal Processor)，它具有低電壓、超低功耗、強大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內外設、方便開發(fā)等優(yōu)點，具有很高的性價比，在工程控制等領域有著極其廣泛的應用范圍。開關Boost穩(wěn)壓電源利用開關器件控制、無源磁性元件及電容元件的能量存儲特性，從輸入電壓源獲取分離的能量，暫時把能量以磁場的形式存儲在電感器中，或以電場的形式存儲在電容器中，然后將能量轉換到負載。對DC-DC主回路采用Boost升壓斬波電路。

2 系統(tǒng)結構和總設計方案

本開關穩(wěn)壓電源是以MSP430F449為主控制器件，它是TI公司生產的16位超低功耗特性的功能強大的單片機，其低功耗的優(yōu)點有利于系統(tǒng)效率高的要求，且其ADC12是高精度的12位A／D轉換模塊，有高速、通用的特點。這里使用MSP430完成電壓反饋的PI調節(jié)；PWM波產生，基準電壓設定；電壓電流顯示；過電流保護等。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 DC／DC轉換電路設計

系統(tǒng)主硬件電路由電源部分、整流濾波電路、DC／DC轉換電路、驅動電路、MSP430單片機等部分組成。交流輸入電壓經整流濾波電路后經過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周期內電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

式(1)中I1為輸出電流，電感儲能的大小通過的電流與電感值有關。在實際電路中電感的參數(shù)則與選取開關頻率與輸入／輸出電壓要求，根據(jù)實際電路的要求選用合適的電感值，且要注意其內阻不應過大，以免其損耗過大減小效率采樣電路。對于電容的計算，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的開關周期；I0為負載電流；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 因為采樣信號要輸入單片機MSP430內部，其內部采樣基準電壓選為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，當輸入電壓為36 V時，采樣電壓為：12／(12+200)×36=2.04 V，符合要求。

電流采集 采用康銅絲進行采集。首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，同時MSP430基準電壓為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驅動電路的設計

電力MOSFET驅動功率小，采用三極管驅動即可滿足要求，驅動電路如圖4所示。

由于單片機為弱電系統(tǒng)，為保證安全需要與強電側隔離，防止強電側的電壓回流，燒壞MSP430，先用開關光耦進行光電隔離，再經三極管到MOSFET的驅動電路IR2101。MSP430產生的PWM波，經過光耦及后面的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是專門用來驅動耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個8管腳的芯片，其具有高低側的輸出參考電平。門極提供的電壓范圍是10～20 V。

3.4 保護電路的設計

過電流保護是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。當電流大于限定值的時候，使用繼電器常閉觸點斷開進行保護。用MSP430單片機控制繼電器的常開常閉的吸合，實現(xiàn)自動恢復電路工作的功能。如圖5所示：

4 軟件設計

MSP430單片機內部具有高、中、低速多個時鐘源，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模塊能夠實現(xiàn)12位精度的模數(shù)轉換、硬件乘法器以及帶有PWM輸出功能的TIMERA和TIMRB定時器，使得整個電路不需要任何擴展就能完成對電源輸出電壓、電流的實時采集、PI控制、PWM輸出；同時MSP430F449帶有內部LCD驅動模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅動端口即可，電路結構極為簡單。本設計的軟件采用C語言編寫，整個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：通過鍵盤可實現(xiàn)電壓參考值的設定，電壓電流的切換顯示。通過LED實現(xiàn)參考電壓的設定與顯示，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單片機的12位A／D轉換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值和負載電流進行采集。

PI控制模塊：此模塊用來對系統(tǒng)輸出電壓進行控制，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單片機的TimerB定時器的比較功能，產生驅動MOSFET的信號。

5 實驗結果分析

通過單片機MSP430軟件設計，對PI調節(jié)選定合理參數(shù)及開關頻率，能達到穩(wěn)壓的效果，使以上前3個指標能達到良好的效果。而能否對紋波電壓限制，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。

在選定開關元件之后，效率主要受開關頻率的影響、儲能電感的內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。對此系統(tǒng)的進行綜合測試，結果如表1所示。

6 結 語

本開關穩(wěn)壓電源設計采用低功耗的TI公司的16位單片機MSP430F449片機最小系統(tǒng)板為控制核心，以PWM控制技術，閉環(huán)PI調節(jié)，高精度的12位A／D轉換為基礎，完成了采樣值顯示與設置電壓值的功能和參數(shù)指標。實驗結果表明：通過單片機MSP430軟件設計，對PI調節(jié)選定合理參數(shù)及開關頻率，能達到穩(wěn)壓的效果。