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[導(dǎo)讀]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。開關(guān)Boost穩(wěn)壓電源利用開關(guān)器件控制、無(wú)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

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。開關(guān)Boost穩(wěn)壓電源利用開關(guān)器件控制、無(wú)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ADCl2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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)大,以免其損耗過(guò)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.O,P6.1為MSP430芯片的采樣通道,P6.O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(wèn)題,康銅絲不能選擇過(guò)大,同時(shí)MSP430基準(zhǔn)電壓為2.5 V,且所需康銅絲需自制??紤]以上方面在康銅絲阻值選取上約為O.1Ω。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IR210l。MSP430產(chǎn)生的PWM波,經(jīng)過(guò)光耦及后面的IR2101芯片,在芯片的5管腳輸出的PWM波接到MOS—FET的門極G端,使其工作。IR2101是專門用來(lái)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(guò)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(guò)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:
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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ADCl2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(guò)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(guò)LED實(shí)現(xiàn)參考電壓的設(shè)定與顯示,通過(guò)LCD顯示電壓和電流的采集值。AD電壓和電流采集模塊:通過(guò)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(lái)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(guò)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公司的膈位單片機(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)。

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