基于STC12 C5410AD單片機的數(shù)字電源設計

引言

數(shù)字電源目前主要應用在數(shù)據(jù)通信、存儲、服務器等性能和智能化要求較高的領域。在美國TI公司等半導體企業(yè)的推動下，數(shù)字電源技術有了快速發(fā)展。

業(yè)界都比較認同TI公司對數(shù)字電源所下的定義：

數(shù)字電源就是數(shù)字化控制的電源產(chǎn)品，它能提供配置、監(jiān)控和管理功能，并延伸到對整個回路的控制。

數(shù)字電源具有以下特點：數(shù)字化控制的電源轉(zhuǎn)換，以MCU(微控制器)或DSP(數(shù)字信號處理器)為核心，它能實現(xiàn)PWM(脈寬調(diào)制)穩(wěn)壓回路控制、軟件啟動等功能;數(shù)字電源管理，對電壓和電流等電源輸出進行配置的功能;采用整合數(shù)字電源(fusion digital power)技術，實現(xiàn)了開關電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合，例如，功率級所用的模擬組件——MOsFET驅(qū)動器，可以方便地與數(shù)字電源控制器相連并實現(xiàn)各種保護;能達到很高的技術指標，例如，其PWM分辨力可達150 ps(10 S～12 S)水平，這是傳統(tǒng)開關電源所望塵莫及的;大量的電源管理和一些電源控制功能是通過PMBus(電源管理總線)實現(xiàn)的，PMBus是一種開放標準的數(shù)字電源管理協(xié)議，該協(xié)議是2004年10月由2家世界領先的電源公司Artesyn Technologies和AstecPower，以及6家世界領先的半導體企業(yè)共同建立。

1 數(shù)字電源的硬件設計

數(shù)字電源屬于開關電源類產(chǎn)品，其主要的性能指標有：紋波與噪聲、電源轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓穩(wěn)定度、保護與安全特性。性能指標數(shù)據(jù)的高低直接影響數(shù)字電源產(chǎn)品的品質(zhì)好壞。本文重點介紹數(shù)字電源的系統(tǒng)組成、PWM穩(wěn)壓回路和電源濾波電路的設計。

1.1 系統(tǒng)組成

數(shù)字電源有MCU控制和DSP控制兩種解決方案。本數(shù)字電源系統(tǒng)采用MCU控制方案，整個系統(tǒng)由主控制器、PWM穩(wěn)壓回路、電流電壓取樣電路、鍵盤顯示電路、電源濾波電路等組成，其系統(tǒng)的框圖見圖1。數(shù)字電源的主控制器是深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)、具有A/D 轉(zhuǎn)換和PWM 功能、高速/低功耗STC12C5410AD型單片機，其內(nèi)部配有10 kB程序存儲器和512 B的RAM。電流電壓的取樣信號反饋到單片機的A/D輸入端，經(jīng)數(shù)字信號處理分析，單片機輸出PWM信號，控制PWM穩(wěn)壓回路的功率開關管的導通或截止，經(jīng)功率電感的充放電實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

用戶不僅能從顯示器上觀察到當前的電源參數(shù)，還可通過鍵盤隨時修改電源參數(shù)。單片機通用串行口實現(xiàn)上位計算機與數(shù)字電源之間通信。

1.2 PWM 穩(wěn)壓回路設計

考慮到功率MOSFET的諸多優(yōu)點，PWM穩(wěn)壓回路中的半導體功率開關器件用MOSFET取代晶體管。

PWM穩(wěn)壓回路如圖2所示。

MOSFET驅(qū)動電路是由R1、R2、R3、C2、V1和V2組成，MOSFET管的開關頻率可以很高，所需驅(qū)動功率很小，容易驅(qū)動，是高頻小功率變換器的理想功率器件。MOSFET管的輸入阻抗很高，其導通和關斷就相當于輸入電容充放電過程。

MOSFET過高的輸入電容C 對7}=父轉(zhuǎn)換速度起很甭要的作用，降低C 影響，足MOSFET驅(qū)動電路改計的承點。

MOSFET的等效輸入電容為：

1.3 電源濾波電路設計

電源要求輸出盡量小的紋波及噪聲，濾波電容在開關電源中對抑制電源的紋波及噪聲起著非常露要的作用，選擇品質(zhì)優(yōu)良、ESR(低等效串聯(lián)電阻)的電容是提高濾波效果的關鍵。

根據(jù)開關電源盼沒計理論，以降壓BUCK拓撲結(jié)構的開關穩(wěn)壓器為例，開關電源的紋波電壓AV為：

式中，f。 為MOSFET的導通時問;R 為ESR值。

從輸出紋波電壓△ .的表達式導出，在給定的條件下，針對一個所期望的頻率范圍來選擇和R ，選擇比較合適的電感值后，決定輸出電壓紋波大小的主要因素是輸出電容的R 。

因低R 電容(如鉭電容和日本三洋OSCON電容)成本較高，所以，本電源系統(tǒng)降低輸出電容R嘞的方法是：在保持輸出電容總?cè)萘坎蛔兊那疤嵯?，把原來的一個電容拆分成幾個電容的并聯(lián)，這樣，隨著電容容量的減少其 EsR相應減少，幾個電容并聯(lián)后，總的尺是單個電容的幾分之一;如果選用電容的耐壓值適當提高，單個電容的 可進一步降低，這是因為同容量的電容，耐壓提高其 咖變小。采用以上設計方法后，輸出電容的 大幅度下降，輸出電壓紋波明顯減小。

電源濾波電路見圖3，符合設計要求。

2 數(shù)字電源的軟件設計

編制軟件一方面必須與已建立的硬件電路密切配合，另一方面要滿足產(chǎn)品的設計要求。本系統(tǒng)軟件采用編編與c語言混合編程實現(xiàn)，主要包括單片機控制軟件及上位機界面和通信軟件。程序流程圖見圖4。[!--empirenews.page--]

根據(jù)計算機或鍵盤輸入的設置命令信號和取樣信 ，單片機進行數(shù)字信號處理后，輸出PWM信號。

通過鍵盤隨時修改電源參數(shù)，可以從顯示器上觀察到當前的有關數(shù)據(jù)。在過流與過壓的情況下，關閉PWM并進行聲光報警。

3 實際測試結(jié)果及分析

3.1 功率管的驅(qū)動狀態(tài)對開關特性的影響

數(shù)字電源在輸入電壓為24 V、輸出為12 V/3 A的情況下進行測試。峰值柵極驅(qū)動電流， 。在過驅(qū)動和欠驅(qū)動兩種狀態(tài)下的功率開關管輸出波形見圖5。從圖5(b)可知，由于功率MOSFET欠驅(qū)動，上升時間t變得很長，開關轉(zhuǎn)換過程中能耗大大增加，隨之電源的效率和負載能力下降，此時電源只能驅(qū)動一半的負載。

如果選用的功率MOSFET輸入電容c 和導通電阻足夠小，在功率MOSFET柵極過驅(qū)動條件下，功率開關管輸出波形可達到圖5(a)的理想效果，t 變得很短，開關轉(zhuǎn)換過程中能耗大大降低，電源效率和負載能力明顯提高，很好地滿足了電路設計要求。

3.2 電源濾波電路對電源紋波抑制的作用

用單電解電容(2 200 IxF/35 V)濾波和圖3電路濾波，其實測波形見圖6?？梢姡瑔坞娙蓦娫醇y波約為80 mV(p-p)，改進后實際應用電路的紋波約為35 mV(p-p)，對電源的紋波抑制起到了很大的作用。

4 結(jié)語

本文介紹基于STC12C5410AD型單片機的數(shù)字電源設計方案。實際測試表明，用帶PWM和A/D轉(zhuǎn)換功能的通用單片機實現(xiàn)數(shù)字電源的設計是可行的，其性能達到相當高水平，此方法具有推廣應用價值。