開關(guān)電源系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的種類越來越多，電源在各個系統(tǒng)中的核心作用日趨明顯。另外，電子設(shè)備的小型化和低成本化促使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展?；谶@個思想設(shè)計了一款低功率易控制的開關(guān)穩(wěn)壓電源，以滿足小型電子設(shè)備的供電

2、需要。</p><p>　　系統(tǒng)的實現(xiàn)是基于PWM波控制下的DC-DC轉(zhuǎn)換原理。系統(tǒng)以單片機MSP430F169為控制核心，采用SG3525PWM脈寬控制器實現(xiàn)對Boost升壓斬波電路穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)硬件部分主要包括：整流濾波電路、Boost斬波電路、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、采樣電路、保護電路、單片機最小系統(tǒng)等。軟件包括：鍵盤控制模塊、A/D電壓和電流采集模塊、調(diào)整模塊、顯示模塊等幾個部分。</p>

3、<p>　　系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓輸出在30～36V范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流最大可達2A，電壓調(diào)整率小于3%，效率達83.7%。系統(tǒng)具有電壓鍵盤設(shè)定和輸出顯示功能，同時具有過壓、欠壓和過流保護功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，單片機MSP430，PWM控制芯片，DC-DC變換</p><p>　　Switching Power Supply Design</p>

4、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with the development of the power electronic technology, the kinds of electronic equipment have been more and more, power supply’s core role in every sy

5、stem has become increasingly obvious. In addition, the miniaturization and low cost of electronic equipment turn power to the direction of light, thin, small and high efficient. Based on this idea, the design has designe

6、d a low-power and easy controlled switching power supply to meet the power supply needs of small-scale electronic equipmen</p><p>　　System implementation is based on the DC - DC conversion principle which is

7、 under the control of PWM waves. System to single-chip microcomputer MSP430F169 as the control core, using SG3525PWM pulse-width controller to achieve Boost chopper circuit’output voltage stable. System hardware includes

8、: rectifier filter circuit, Boost chopper circuit, PWM waveform generation and control circuit, sampling circuit, protection circuits, thesingle-chip microcomputer minimize system. Software includes: keybo</p><

9、;p>　　System can realize output voltage at the range of 30 ~ 36V adjustable, output current is up to 2A, Voltage adjustment rate is less than 3%, efficiency of 83.7%. System has the function of voltage keyboard setting

10、s and output display, but also has overvoltage, undervoltage, and overcurrent protection.</p><p>　　Keywords: switching power supply, microcontroller MSP430, PWM control chip, DC-DC conversion</p><

11、p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 設(shè)計背景和研究目的1</p><p>　　1.2 設(shè)計的主要研究工作1</p><p>　　1.3 設(shè)計目標2</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總設(shè)計

12、方案3</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計4</p><p>　　3.1 整流濾波電路4</p><p>　　3.1.1 二極管整流橋堆和濾波電容C1的選擇4</p><p>　　3.1.2 保護整流橋和減小沖擊電流的設(shè)計5</p><p>　　3.2 DC-DC變換器設(shè)計與器件選擇5</p&g

13、t;<p>　　3.2.1 電路的工作原理6</p><p>　　3.2.2 器件的選擇6</p><p>　　3.2.3 減小開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓設(shè)計8</p><p>　　3.3 采樣電路8</p><p>　　3.4 PWM波形產(chǎn)生與控制電路9</p><p>　　3.5 驅(qū)動電路的設(shè)計10

14、</p><p>　　3.6 保護電路設(shè)計與參數(shù)計算12</p><p>　　3.6.1 SG3525自帶保護12</p><p>　　3.6.2 保護電路的設(shè)計12</p><p>　　3.6.3 繼電器保護13</p><p>　　3.7 按鍵與顯示電路14</p><p>　　3

15、.7.1 按鍵輸入模塊設(shè)計14</p><p>　　3.7.2 顯示模塊設(shè)計14</p><p>　　3.8 單片機最小系統(tǒng)14</p><p>　　3.8.1 電源15</p><p>　　3.8.2 復(fù)位電路15</p><p>　　3.8.3 晶振15</p><p>　　3.

16、8.4 簡易仿真器JTAG下載線15</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計17</p><p>　　4.1 主程序流程圖設(shè)計17</p><p>　　4.2 各個子模塊流程圖設(shè)計18</p><p>　　4.2.1 鍵盤控制模塊18</p><p>　　4.2.2 電壓和電流采集模塊19</p&g

17、t;<p>　　4.2.3 對輸出信號的調(diào)整模塊19</p><p>　　4.2.4 顯示模塊20</p><p>　　4.3 各個模塊的C語言程序編寫21</p><p>　　4.3.1 鍵盤程序21</p><p>　　4.3.2 電壓電流采樣程序22</p><p>　　4.3.3 對輸出

18、電壓的調(diào)整程序23</p><p>　　4.3.4 顯示程序24</p><p><b>　　第五章 結(jié)論26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　致 謝28</b></p><p><b

19、>　　附 錄29</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 設(shè)計背景和研究目的</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，他們要求電源提供長期穩(wěn)定的電壓, 而市電電壓的不穩(wěn)定又使傳統(tǒng)電源難以實

20、現(xiàn)輸出電壓長期穩(wěn)定的功能，開關(guān)穩(wěn)壓電源由于其輸出電壓長期穩(wěn)定而且具有高頻率、高功率密度、高效率、重量輕、節(jié)約能耗等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。同時，隨著電子技術(shù)應(yīng)用的迅速普及，對于電子儀器和設(shè)備的要求又有了新的內(nèi)容：在性能上，要更加安全可靠；在使用和操作上，自動化和智能化程度要越來越高；在體積和重量上，要日趨小型化和微型化；在功耗和電磁兼容上，要功率因數(shù)大和轉(zhuǎn)換效率高。這樣一來，就使得具有眾多優(yōu)點的開關(guān)穩(wěn)壓電源顯得更為重要了?；谶@個思想設(shè)計了

21、一個低功率開關(guān)穩(wěn)壓電源，以滿足小型電子設(shè)備的供電需要。 </p><p>　　1.2 設(shè)計的主要研究工作</p><p>　　開關(guān)穩(wěn)壓電源相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源具有精度高，體積小，重量輕，效率高等優(yōu)點，從而逐漸取代線性電源，廣泛應(yīng)用于計算機、汽車、現(xiàn)代化家電、儀表和通信等各個行業(yè)。隨著脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，PWM 的控制方式愈來愈多地應(yīng)用于開關(guān)控制器的設(shè)計。其特征是電路設(shè)計簡

22、單，性能穩(wěn)定，控制型效率高，能夠很好的穩(wěn)定電壓幅值，同時，通過改變脈沖寬度占空比固定開關(guān)的頻率改善波形，具有良好的抑制輸出電壓紋波和噪聲功能。本設(shè)計就是一款基于SG3525PWM控制器的開關(guān)穩(wěn)壓電源。</p><p>　　開關(guān)電源的工作原理就是通過改變開關(guān)器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓。220V交流電壓經(jīng)過降壓、整流、濾波后，得到18V的直流電壓，直流電壓經(jīng)Boost電路升壓再濾波得平滑的直

23、流輸出。單片機根據(jù)采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓調(diào)整輸出信號，對SG3525進行控制生成PWM信號從而驅(qū)動功率開關(guān)管工作，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。</p><p>　　同時本設(shè)計還采用MSP430單片機作為控制器，來實現(xiàn)對輸出電壓的設(shè)定調(diào)整和電壓電流的顯示，MSP430單片機內(nèi)部多個具有高、中、低速的時鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用而且可以工作于多種低功耗的模式，極大地降低了控制電路的功耗，提高整體率；430F169有

24、ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、直接存儲器訪問控制器（DMAC），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，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。</p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)計包括軟件和硬件兩部分。系統(tǒng)硬件部分主要包括：整流濾波電路、Boost斬波電路、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路、保護電路、鍵盤控制和顯示電路、單片機最小系統(tǒng)等。軟件采用C語言編程,整個程序包括的子

25、模塊有：鍵盤控制模塊、A/ D電壓和電流采集模塊、對輸出電壓的調(diào)整模塊、LED顯示模塊等幾個部分。</p><p><b>　　1.3 設(shè)計目標</b></p><p>　　系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓在30~36V范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流最大可達2A，電壓調(diào)整率小于3%，效率達83.7%，輸出噪聲紋波電壓小于0.1V。通過鍵盤能對輸出電壓進行鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整，并通過LED顯示

26、器件顯示電流和電壓值，同時具有過壓、欠壓和過流保護功能，排除故障后，電路能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總設(shè)計方案</p><p>　　本設(shè)計以單片機MSP430F169為控制核心，以SG3525為PWM信號產(chǎn)生與控制芯片制作開關(guān)穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)主要由隔離變壓器、整流濾波電路、DC-DC變換器、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、保護電路和電壓電流采樣電路、顯示電路等組成，系統(tǒng)

27、框圖如圖2-1所示。</p><p>　　220V交流電壓經(jīng)降壓、整流、濾波得比較穩(wěn)定的18V直流電壓，直流電壓經(jīng)Boost電路升壓再濾波得平滑的直流輸出。單片機從鍵盤輸入設(shè)定信號，并根據(jù)采樣電壓對單片機輸出電壓進行調(diào)整，通過單片機的D/A轉(zhuǎn)換對SG3525進行控制生成PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關(guān)管MOSFET工作，并利用SG3525內(nèi)部的比較器實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。對輸出電壓與電流的采樣利用MSP43

28、0F169單片機的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，信號返回單片機后經(jīng)過處理在MSP430F169單片機的I/O口送給LED進行電流與電壓的顯示。當(dāng)輸出電流大于保護設(shè)定值時產(chǎn)生過流保護信號，保護電路的比較器LM311輸出高電平，一方面封鎖PWM信號，使PWM不輸出，控制場效應(yīng)管關(guān)閉；一方面過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路，等故障消除，比較器輸出低電平，電路自動恢復(fù)正常工作。</p><p><b>　　圖2-1

29、 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)的硬件部分主要包括：整流濾波電路、Boost斬波電路、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路、保護電路、鍵盤與顯示電路、單片機最小系統(tǒng)等。各部分的設(shè)計如下所述。</p><p>　　3.1 整流濾波電路</p><p>　　整流濾波電路是將

30、輸入220V、50Hz 的交流電壓變換成經(jīng)過濾波后有脈動的直</p><p>　　流電壓。通常采用容性負載整流電路，如圖3-1所示。整流濾波之前先用隔離變壓器對220V AC進行降壓，產(chǎn)生18V AC。隔離變壓器的初級和次級分別是獨立繞組，可以去掉電網(wǎng)三次諧波和減少干擾信號進入穩(wěn)壓電源，同時防止非線性電源的電流</p><p>　　畸變影響到交流電源的正常工作及對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，若負載不平衡

31、，也不影響穩(wěn)壓</p><p><b>　　電源的正常工作。</b></p><p>　　圖3-1 整流濾波電路</p><p>　　本設(shè)計要求整流輸入電壓為AC，可由經(jīng)驗公式計算</p><p>　　=(1.1~1.2)=(19.8~21.6) （3-1）</p>

32、<p>　　由于該開關(guān)電源的最大輸出電流為2A，現(xiàn)設(shè)定整流輸出電流為I=2.5A。</p><p>　　3.1.1 二極管整流橋堆和濾波電容C1的選擇</p><p>　　采用的二極管其最大的整流電流必須大于輸出電流的一半即，故選用1.5A的集成橋堆來作為整流器件。每個整流二極管的平均電阻近似為，隔離變壓器的內(nèi)阻包括次初級損耗和次級線阻，可以用經(jīng)驗公式計算：</p>

33、<p><b>　?。?-2） </b></p><p>　　故整流器的內(nèi)阻約為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　整流電路的負載</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p

34、><p>　　則 （3-5）</p><p>　　對于容性負載橋式整流電路，當(dāng)，紋波電壓U較小時可以得到</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　因此濾波電容C1可以用如下的關(guān)系式估算：</p>

35、<p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　選取，耐壓50V的電解電容即可。</p><p>　　3.1.2 保護整流橋和減小沖擊電流的設(shè)計</p><p>　　保護整流橋設(shè)計：本設(shè)計中存在濾波電容，且其值較大，濾波電容越大，二極管的導(dǎo)通角越小，流過二極管的電流峰值就越大，其值很容易大于10A。因為整流橋的耐流能力為

36、10A，所以很容易被燒毀。為解決這一問題，本設(shè)計在整流橋后面串入電感，因為電感有一定續(xù)流作用，而使二極管導(dǎo)通角變大，從而減小二極管電流峰值以保護整流橋。</p><p>　　減小開機時沖擊電流設(shè)計：開機時整流橋后的濾波電容呈瞬時短路狀態(tài)，所以開機存在較大沖擊電流，為了減小沖擊電流對電路的損壞，本設(shè)計在整流橋前串聯(lián)負溫度系數(shù)熱敏電阻。原理是，開機時溫度較低而呈現(xiàn)很大電阻, 所以開機電流不會很大，隨著電路接通，發(fā)熱電

37、阻逐漸減小，所以正常工作時上電壓降很小，不會影響電路正常工作。</p><p>　　3.2 DC-DC變換器設(shè)計與器件選擇</p><p>　　本系統(tǒng)改進的Boost升壓斬波電路如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 Boost 斬波電路</p><p>　　3.2.1 電路的工作原理</p><p>　　功率

38、開關(guān)V處于導(dǎo)通期間時，輸入電壓加到儲能電感兩端，充電電流基本恒定為。二極管截止，電容向負載R供電。因值很大，基本保持輸出電壓為恒值。流過電感上的電流為近似上升的鋸齒波電流，并以磁能的形式儲存在電感中。在此期間，儲能電感中積聚的能量為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　當(dāng)功率開關(guān)管截止時，儲能電感兩端的電壓極性相反，此時二極管被正向偏

39、置而導(dǎo)通，輸入電壓和存儲在儲能電感中的能量通過二極管傳輸給負載電阻R和濾波電容，儲能電感中的泄放電流是鋸齒波電流的線性下降部分。在此期間，釋放的能量為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　當(dāng)電路達到動態(tài)平衡時，一個周期T中，在儲能電感中積聚的能量與釋放的能量相等，從而給負載電阻R提供一個穩(wěn)定的輸出電壓。于是得到：</p>

40、<p><b>　?。?-10)</b></p><p>　　電感儲能后使電壓泵升，同時電容使輸出電壓保持穩(wěn)定，從而得到輸出端電壓高于輸入端電壓。故稱該電路為升壓斬波電路。</p><p>　　3.2.2 器件的選擇</p><p>　?。?）功率開關(guān)Q的選擇:由圖3-2可以看出，功率開關(guān)Q上所承受的最大電壓也就是功率開關(guān)Q截止時所

41、承受的電壓，又從輸入電壓與輸出電壓間的關(guān)系得到：</p><p>　　() （3-11）</p><p>　　又考慮到輸入電壓有波動，儲能電感上的反峰尖刺電壓為穩(wěn)定值的，取其工作電壓為80%的額定電壓值，而且選擇功率開關(guān)Q時要留有一定的富余量，這樣就可以得到所要選擇的功率開關(guān)Q的漏極電壓額定值</p><p><b>

42、;　?。?-12）</b></p><p>　　本設(shè)計中為18V直流電壓，輸出電壓最大為36V，可以算得功率開關(guān)Q的額定電壓為40V。</p><p>　　功率開關(guān)Q的額定電流（漏極直流電流）由經(jīng)驗公式得：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　本設(shè)計要求最大輸出電流為2A，所

43、以功率開關(guān)Q的額定電流選2.5A。</p><p>　?。?）二極管D1的選擇：功率開關(guān)Q導(dǎo)通期間，二極管D1因反向偏置而截止，此時二極管D1所承受的電壓為輸出電壓，又考慮到的裕量，二極管D1反向耐壓應(yīng)為：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　二極管D1正向?qū)娏鳛椋?lt;/p><p>

44、<b>　?。?-15）</b></p><p>　　二極管D1正向?qū)üβ蕮p耗為：</p><p><b>　　（3-16）</b></p><p>　　為二級管的正向?qū)ü軌航?，所以?yīng)選擇具有非常低的正向?qū)ü軌航档男ぬ鼗O管。</p><p>　?。?）輸入電感選?。赫鬏敵鲭妷旱拇笮?8

45、V，輸出電壓范圍為30~36V，由臨界電流公式</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　選擇為20kHz，當(dāng)時，臨界電流有最大值</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　要使電感電流連續(xù)，則最小負載電流應(yīng)大于，由此解得：</p>

46、<p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　取為2mH。</b></p><p>　?。?）輸出濾波電容的選?。河奢敵黾y波電壓：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　負載電阻R取15，由此可計算濾波電容的

47、大小，經(jīng)計算，此處取為4700。</p><p>　　3.2.3 減小開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓設(shè)計</p><p>　　功率開關(guān)管從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程都需要一定的轉(zhuǎn)換時間，而且開關(guān)頻率高，由于二極管和電感的特性，會在輸出端形成所謂的開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓。尤其是關(guān)斷時，由于電路中有寄生電感，瞬間電流的切斷會在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓。本設(shè)計的解決辦法是對功率開關(guān)管加緩沖電路，改善關(guān)斷性能。&

48、lt;/p><p>　　基本原理：開關(guān)管Q關(guān)斷時，原電路一部分電流通過快恢復(fù)二極管D對電容C充電使開關(guān)管兩端電壓緩慢上升，電路中電流的減小速度也有所減緩，從而減小開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓，使輸出電壓更穩(wěn)定。</p><p><b>　　3.3 采樣電路</b></p><p>　　采樣電路分為電壓采集與電流采集，采樣電路如圖3-3所示。其中P6.0、P6.

49、1為MSP430 芯片的采樣通道。P6.0為電壓采集，P6.1為電流采集。對經(jīng)過升壓斬波電路的直流電壓進行采集時，由于采集電壓比MSP430 的內(nèi)部參考電壓大，故采集前需要通過一個分壓電路來分壓，使采集電壓控制在2.5V以內(nèi)。采集后通過一個算法，將采集信號乘以分壓電路的變比，得到實際要采集的電壓值。</p><p><b>　　圖3-3 采樣電路</b></p><p&g

50、t;　　電壓采集：因為采樣信號要輸入單片機MSP430 ,其內(nèi)部采樣基準電壓為2.5V ，因此要將輸入的采樣電壓限制在2.5V以內(nèi)，考慮到安全裕量，故將輸入電壓限制在2 V以內(nèi)。當(dāng)輸入電壓為36V時，采樣電壓為：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>　　符合要求。</b></p><p&g

51、t;　　電流采集：此過程采用康銅絲為元件。首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，又因為MSP430基準電壓為2.5V，故所需康銅絲需要自制?？紤]以上原因，本設(shè)計選取康銅絲的阻值約為0.1。</p><p>　　3.4 PWM波形產(chǎn)生與控制電路</p><p>　　本設(shè)計中PWM波形產(chǎn)生與控制電路選用SG3525芯片，SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋

52、電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高。另外SG3525內(nèi)置軟啟動電路，具有輸入欠電壓鎖定功能，PWM所鎖存功能等，是目前比較理想的新型控制器。</p><p>　　電路原理圖如圖3-4所示。<

53、/p><p>　　圖3-4 SG3525 PWM波形控制電路</p><p>　　在PWM波形發(fā)生與控制電路中，其開關(guān)頻率為：</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　管腳2輸入的是電壓設(shè)定值，該值是MSP430單片機根據(jù)鍵盤設(shè)定值和采樣電壓進行調(diào)整后得到的，接單片機的P6.6引腳。管腳1與9相

54、連接相當(dāng)于該芯片的反饋補償網(wǎng)絡(luò)。8管腳接一個電容的作用是用來軟啟動，上電過程中，電容兩端的電壓不能突變，只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作，減少對功率開關(guān)管的沖擊。10腳接保護電路，如果電路過流，該引腳會接收到一個高電平，PWM鎖存器將立即動作，禁止SG3525輸出，軟起動電流將開始放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程。管腳11和14才用的是并聯(lián)單端輸出，其外部加一個推挽式的驅(qū)動電路，增強

55、了電源的可靠性。</p><p>　　3.5 驅(qū)動電路的設(shè)計</p><p>　　功率開關(guān)趨于關(guān)斷時的下降時間和趨于導(dǎo)通時的上升時間的快慢是決定功率開關(guān)損耗功率和開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換效率的主要因素。要縮短這兩個時間，除選擇高反應(yīng)、高速度、大電流功率開關(guān)以外，還要改善加在功率開關(guān)基極的驅(qū)動信號。</p><p>　　對驅(qū)動信號波形的要求是上升沿要陡，幅度要大，以便減小功率

56、開關(guān)趨于導(dǎo)通時的上升時間；驅(qū)動信號要有一定的驅(qū)動功率；驅(qū)動信號波形的下降沿一定要陡，幅度要大，以便減小功率開關(guān)趨于截止時的下降時間。</p><p>　　由SG3525產(chǎn)生的PWM控制信號需要經(jīng)過驅(qū)動電路才能用于控制MOSFET，基于以上要求，本系統(tǒng)中MOSFET的驅(qū)動選用專用驅(qū)動芯片IR2110，驅(qū)動電路如圖3-5所示。</p><p><b>　　圖3-5 驅(qū)動電路</

57、b></p><p>　　由于單片機、PWM波控制電路為弱電系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)的安全，需要與強電側(cè)隔離，防止強電側(cè)的電壓回流，燒壞單片機MSP430。本設(shè)計先用開關(guān)光耦進行光電隔離，再經(jīng)三極管到MOSFET的驅(qū)動電路IR2110。SG3525PWM波形控制電路產(chǎn)生的PWM波，經(jīng)過光耦及后面的IR2110芯片，在芯片的管腳1輸出的PWM波接到MOSFET的門極G端，使其工作。</p><p&

58、gt;　　IR2101 是專門用來驅(qū)動耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個具有14個管腳的芯片。IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10~20V，邏輯電源的輸入范圍（腳9）5~15V，門極提供的電壓范圍是10～20V，可方便的與TTL、CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有V的便移量；工作頻率高，可達500KHz，開通、關(guān)斷延遲小，分別為12

59、0ns和94ns，圖騰柱輸出峰值電流2A。</p><p>　　IR2110的這些特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。</p><p>　　3.6 保護電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p>　　系統(tǒng)對保護電路的要求有：過流、過壓和欠壓等保護電路的控制關(guān)斷速度一定要快，只有這樣，

60、才能夠做到既保護了負載系統(tǒng)，有保護了穩(wěn)壓電源電路本身免遭破壞。對于過流保護電路來說，當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生過流現(xiàn)象的故障被排除或過流現(xiàn)象恢復(fù)后，穩(wěn)壓電路要能夠自動恢復(fù)正常工作。</p><p>　　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(nèi)的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。當(dāng)輸出電流大于保護設(shè)定值時產(chǎn)生過流保護信號，保護電路的比較器LM311輸出高電平，一方面封鎖PWM信號，使PWM不輸出，控制場

61、效應(yīng)管關(guān)閉；一方面過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路，等故障消除，比較器輸出低電平，電路自動恢復(fù)工作。</p><p>　　本設(shè)計具有三級保護功能：SG3525PWM控制器自帶的輸入欠電壓保護、利用保護電路進行保護和利用繼電氣斷開主電路的保護。</p><p>　　3.6.1 SG3525自帶保護</p><p>　　當(dāng)SG3525輸入電壓低于8V時，控制器內(nèi)部電路鎖

62、定，除基準電源和一些必要電路之外的所有電路停止工作，此時控制器消耗的電流極小。另外，無論因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。</p><p>　　3.6.2 保護電路的設(shè)計 </p><p>　　過流保護電路如圖3-6所示。</p><p><b>　　圖3-6 保護電路</b><

63、/p><p>　　此過流保護電路中，電阻R17用來限流，通過比較器LM311對電流互感器采樣轉(zhuǎn)化的電壓進行比較，LM311的3腳接一10kΩ電位器來調(diào)比較基準電壓，輸出后接一100Ω的電阻R18限流，它與后面的220µF的電容C9形成保護時間控制。當(dāng)電流過流時比較器輸出高電平產(chǎn)生保護，封鎖PWM信號，使PWM不輸出，控制場效應(yīng)管關(guān)閉。</p><p>　　3.6.3 繼電器保護<

64、;/p><p>　　過流時保護電路的比較器LM311輸出高電平，過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路，等故障消除，比較器輸出低電平，電路自動恢復(fù)工作。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計的要求選用繼電器的的型號為SSR YDH0610D，其輸入直流控制電壓3~32V DC，輸出負載電壓為5~60V DC。通常SSR均設(shè)計為常開狀態(tài)，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在本設(shè)計中需要常閉式的SSR，可

65、在輸入端外接一組簡單的電路，如圖3-7所示，這時即為常閉式SSR。另外，為了防止輸入電壓超過額定值，需設(shè)置一限流電阻Rx。</p><p>　　繼電器保護電路如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 繼電器保護電路</p><p>　　3.7 按鍵與顯示電路</p><p>　　3.7.1 按鍵輸入模塊設(shè)計</p><

66、;p>　　本設(shè)計要實現(xiàn)對輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整，需要4個按鍵，分別為S1：準備、 S2：加1、 S3：減1、 S4：停止。因按鍵數(shù)量少，使用獨立按鍵式鍵盤。MSP430F169的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別與四個按鍵連線。其中上拉電阻保證了按鍵斷開時P2.0、P2.1、P2.2、P2.3有確定的高電平。P2口本身具有中斷能力，編寫軟件時，采用中斷方式。</p><p>　　3.7.2 顯

67、示模塊設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計需要對輸出電壓、輸出電流進行顯示，精確到0.1，所以采用六位八段LED數(shù)碼管，前三位顯示電壓，后三位顯示電流，分別顯示電壓電流的十位、個位和小數(shù)位。采用動態(tài)掃描顯示方式，其中其中P5口通過LED顯示段碼驅(qū)動器74LS245驅(qū)動后控制字選、P4口通過LED顯示位碼驅(qū)動器ULN2003驅(qū)動后控制位選。</p><p>　　3.8 單片機最小系統(tǒng)</p

68、><p>　　本設(shè)計選用MSP430F169單片機，MSP430F169單片機是美國TI公司開發(fā)的MSP430FLASH系列中的一種，64引腳，具有60 KB的Flash、2KBRAM ，支持串行在線編程，10萬次擦寫。該單片機內(nèi)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率。工作電壓范圍：1.8~3.6V，16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期。單

69、片機內(nèi)置3通道DMA，12位A/D帶采樣保持，雙12位D/A同步轉(zhuǎn)換。</p><p>　　與其他單片機相比（如51單片機），MSP430有很大的Flash空間，所以在最小系統(tǒng)中我們不用外擴存儲器。MSP430F169的最小系統(tǒng)只有四部分：電源、復(fù)位電路、晶體及簡易仿真器JTAG下載線。各部分電路如圖3-8所示。</p><p><b>　　3.8.1 電源</b>&

70、lt;/p><p>　　由于整個單片機系統(tǒng)采用5V和3.3V供電，又考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小的特點，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點，因此，硬件系統(tǒng)的電源先用LM7805穩(wěn)壓為5V給外圍模塊電路供電，再用SPX1117芯片穩(wěn)壓得到3.3V電壓，給CPU和3.3V外設(shè)供電。</p><p>　　3.8.2 復(fù)位電路</p><p>　　一般簡單的復(fù)位電

71、路可以采用RC復(fù)位，但是很不穩(wěn)定，可靠性不高，尤其在高速和龐大的系統(tǒng)中是根本不能采用的。在MSP430系統(tǒng)中，采用專門的復(fù)位芯片SP708S，該芯片可以提供可靠的復(fù)位，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。</p><p><b>　　3.8.3 晶振</b></p><p>　　XIN1和XOUT1連接時鐘晶體低速晶體32kHZ，XIN2和XOUT2連接8MHz的高速晶體

72、。</p><p>　　3.8.4 簡易仿真器JTAG下載線</p><p>　　MSP430的程序下載方式支持串行在線編程、系統(tǒng)可編程ISP、JTAG下載等。硬件仿真可以采用JTAG下載線，現(xiàn)在市面上的很多仿真器，大部分都是通過JTAG進行仿真調(diào)試的。JTAG接口是一個14引腳的雙排插座，JTAG邊界掃描的主要信號為TDO、TDI、TMS、TCK和RST信號。</p>&l

73、t;p>　　圖3-8 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的功能有：1、通過比較輸入電壓值與測量所得的電壓值調(diào)整DA輸出，直到滿足要求，實現(xiàn)閉環(huán)控制；2、實現(xiàn)對輸出電壓、電流的實時采樣；3、基本鍵盤輸入功能和LED輸出顯示功能。</p><p>　　MSP430F169單片機內(nèi)部具有高、中、低速多個時鐘源，

74、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率；MSP430F169有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、直接存儲器訪問控制器（DMAC），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，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。</p><p>　　4.1 主程序流程圖設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計的軟件采用C語言編寫，整個程序包括

75、的子模塊有：鍵盤控制模塊、A/D電壓和電流采集模塊、對輸出信號的調(diào)整模塊、LED顯示模塊等幾個部分。</p><p>　　主程序流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化后，首先掃描鍵盤讀取鍵值，經(jīng)過DA輸出控制PWM波形發(fā)生與控制電路產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動功率開關(guān)管MOSFET工作。單片機進行輸出電壓電流的采集，

76、當(dāng)采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓差值小于0.1V時，單片機通過LED顯示電壓電流值；當(dāng)采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓差值大于0.1V時，單片機調(diào)整DA輸出的直流電壓，控制PWM波做相應(yīng)調(diào)整，從而實現(xiàn)輸出電壓向預(yù)設(shè)電壓逼近，使輸出電壓穩(wěn)定。在程序進行比較調(diào)整時，調(diào)整最多進行20次就顯示當(dāng)前值，以免由于AD采樣精度等原因進入死循環(huán)。</p><p>　　4.2 各個子模塊流程圖設(shè)計</p><p>　

77、　4.2.1 鍵盤控制模塊</p><p>　　通過鍵盤可實現(xiàn)電壓參考值的設(shè)定和步進調(diào)整，步進值為1V。對鍵盤程序的編寫有查詢方式和中斷方式。采用查詢方式時MCU一直在查詢有沒有鍵被按下，不能做其他的事情，MCU采用此方法效率很低。為提高MCU的效率，且P2口本身具有中斷能力，所以本設(shè)計采用中斷方式實現(xiàn)鍵盤輸入。</p><p>　　鍵盤流程圖如圖4-2所示。</p><

78、;p>　　圖4-2 按鍵流程圖</p><p>　　4.2.2 電壓和電流采集模塊</p><p>　　通過MSP430單片機的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值和負載電流進行采集。</p><p>　　采樣轉(zhuǎn)換流程圖如下。</p><p>　　圖4-3 電壓電流采樣轉(zhuǎn)換流程圖</p><p>　　4.2.

79、3 對輸出信號的調(diào)整模塊</p><p>　　單片機根據(jù)采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓差值，對輸出信號進行調(diào)整，實現(xiàn)輸出電壓向預(yù)設(shè)電壓逼近，使輸出電壓穩(wěn)定。根據(jù)所學(xué)內(nèi)容及所查資料，采用PID或bang-bang 算法能達到很好的效果，但采用bang-bang 算法時，需要比較的次數(shù)比較多，可能由于AD采樣精度等原因進入死循環(huán)，故決定用PID算法，并為了保險起見，并為了節(jié)約比較時間，在程序進行比較時，調(diào)整最多進行20次

80、就顯示當(dāng)前值，這樣做的精度可以達到mv級。</p><p>　　PID是按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為PID（ Proportional - Integral - Differential ）調(diào)節(jié)器。PID控制包括位置式PID、增量式PID。增量式算法不需做累加，計算誤差和計算精度問題對控制量的計算影響較??；位置式算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。根據(jù)分析選用增量式算法即可滿足

81、要求，按照電壓偏差值就可以來調(diào)節(jié)PWM，進而使電壓輸出緊跟輸入。</p><p>　　對輸出電壓信號的調(diào)整過程如流程圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 對輸出信號的調(diào)整流程圖</p><p>　　4.2.4 顯示模塊</p><p>　　通過LED顯示電壓和電流的采集值。本設(shè)計采用六位8段LED數(shù)碼管，前三位顯示電壓，后三位顯示電流

82、，分別顯示電壓、電流的十位、個位和小數(shù)位。采用動態(tài)掃描顯示方式，其中P5口通過LED顯示段碼驅(qū)動器74LS245驅(qū)動后控制字選、P4口通過LED顯示位碼驅(qū)動器ULN2003驅(qū)動后控制位選。</p><p>　　LED顯示流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 LED顯示流程圖</p><p>　　4.3 各個模塊的C語言程序編寫</p>

83、<p>　　4.3.1 鍵盤程序</p><p>　　unsigned char keybuf； // 鍵值緩存器</p><p>　　unsigned char plkeyj(void) // 判鍵子程序</p><p>　　{ unsigned ch

84、ar x;</p><p>　　x=(P2IN&0X07); // P2.0,P2.2,P2.4,P2.6接按鍵</p><p>　　return(x); // 有按鍵返回，非0</p><p><b>　　}</b&g

85、t;</p><p>　　unsigned char keycode( ) // 找哪個按鍵被按下，查鍵值子程序</p><p>　　{ unsigned char x;</p><p>　　If( (P1IN&0X07)= = 1) // 是否第一個按鍵</p>

86、<p><b>　　then x=0;</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　if( (P1IN&0X07)= = 2) // 是否第二個按鍵</p><p><b>　　then x=1;</b></p

87、><p><b>　　else</b></p><p>　　if( (P1IN&0X07)= = 4) // 是否第三個按鍵</p><p><b>　　then x=2;</b></p><p><b>　　else</b></p>

88、<p>　　if( (P1IN&0X07)= = 6) // 是否第四個按鍵</p><p><b>　　x=3;</b></p><p>　　return(x);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　interrupt[PORT1_V

89、ECTOR] void portlkey( void ) // 端口1的中斷服務(wù)子程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while( plkeyj( )! =0 )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(500);

90、 // 延時消除抖動</p><p>　　while( plkeyj( )! =0 )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　keybuf = keycode( ); //確信有鍵按下，找按鍵得鍵值送keybuf</p><p>　　whil

91、e( plkeyj( )! = = 0 ); //等待按鍵松開</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.3.2 電壓電流采樣程序</p&g

92、t;<p>　　ADC12序列通道單次轉(zhuǎn)換(軟件查詢式)</p><p>　　static unsigned int results[2];</p><p>　　void main( void )</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　WDTCL =WDTPW + WDTHOLD;

93、 // 停止Watchdog</p><p>　　P6SEL = 0x0F; // 使能A/D通道</p><p>　　ADC12CTL0 = ADC12ON + MSC + SHT0_2; // ADC12控制寄存器設(shè)置</p><p>　　ADC

94、12CTL1 = SHP + CONSEQ_1; // 轉(zhuǎn)換通道設(shè)置，模式為序列通道單次轉(zhuǎn)換</p><p>　　ADC12MCTL0 = INCH_0; // V+=Vref+,V-=AVss 通道:A0</p><p>　　ADC12MCTL1 = INCH_1 + EOS; // V+=Vref+,V-=AVss 通道:A1 最后序列</p>&l

95、t;p>　　ADC12IE = 0x08; // 使能中斷ADC12IFG.3</p><p>　　ADC12CTL0 | = ENC; // 使能轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　_EINT( );</b></p><

96、p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ADC12CTL0 | = ADC12SC; // 開始轉(zhuǎn)換</p><p>　　_BIS_SR(LPM0_bits);

97、// 進入LMP0</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　# pragma vector = ADC_VECTOR</p><p>　　_interrupt void ADC12ISR( void )</p><p&g

98、t;<b>　　{</b></p><p>　　results[0] = ADC12MEM0; // 存結(jié)果，清除IFG</p><p>　　results[1] = ADC12MEM1;</p><p>　　_BIS_SR_IRQ (LPM0_bits);</p><p&g

99、t;<b>　　} </b></p><p>　　4.3.3 對輸出電壓的調(diào)整程序</p><p>　　typedef struct PID // 聲明PID實體</p><p><b>　　{ </b></p><p>　

100、　int SetVoltage; // 設(shè)定目標電壓 </p><p>　　float P; // 比例常數(shù) </p><p>　　float I;

101、// 積分常數(shù) </p><p>　　float D; // 微分常數(shù) </p><p>　　int LastError; // Error[-1] </p><p>　　int PrevError;

102、 // Error[-2] </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　PID;</b></p><p>　　static PID sPID; </p><p>　　static PID *sptr =

103、&sPID; </p><p>　　void PIDInit(void) // PID參數(shù)初始化</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　sptr->LastError = 0;

104、 // Error[-1] </p><p>　　sptr->P = 0; // Error[-2] </p><p>　　sptr->P =0; // 比例常數(shù) </p><p>

105、　　sptr->I =0; // 積分常數(shù) </p><p>　　sptr->D =0; // 微分常數(shù) </p><p>　　sptr->SetVoltage =0;

106、 // 目標電壓</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int PID_adjust(int BackPoint,int SetVoltage) // 增量式PID控制設(shè)計</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　int iE

107、rror, iIncpid; // 當(dāng)前誤差 </p><p>　　iError = BackVoltage - sptr->SetVoltage; // 增量計算 返回-設(shè)定</p><p>　　Error = sptr->P* iError

108、 // E[k]項 </p><p>　　- sptr->I * sptr->NextError; // E[k－1]項 </p><p>　　+ sptr->D * sptr->LastError; // E[k－2]項</p><p>　　sptr->LastError =

109、sptr->NextError; //存儲誤差，用于下次計算 </p><p>　　sptr->NextError = iError; </p><p>　　return(Error); //返回電壓增量值</p><p><b>　　}</

110、b></p><p>　　4.3.4 顯示程序</p><p>　　unsigned char dispbuffer[6] = {0,1,3,8,0xf,5}; //顯示緩沖區(qū)</p><p>　　unsigned char seg[ ]= { 0x3f,0x06,0x5b,0x4f, //顯示字符的段碼表</p>

111、;<p>　　0x66,0x6d,0x7d,0x07,</p><p>　　0x7f,0x6f,ox77,0x7c,</p><p>　　0x39,0x79,0x5e,0x71,</p><p>　　0xbf,0x86,0xdb,0xcf,</p><p>　　0xe6,0xed,0xfd,0x87,</p>&l

112、t;p>　　0xff,0xef,0xf7,0xfc,</p><p>　　0xb9,0xde,0xf9,0xf1</p><p>　　0x80,0x40,0x00,0x73,0xc0 }; </p><p>　　void delay( int v )</p><p><b>　　{</b></p>

113、<p>　　While( v! = 0) v-- // 延時子程序</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void disp( void )</p><p>　　{ unsigned char i=0;</p><p>　　un

114、signed char temp=0x1;</p><p>　　for( i=0; i<6; i++ ) // 一共6位顯示器，循環(huán)六次</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P4DIR = 0xFF; // 定義端口P4為輸出

115、方向</p><p>　　P5DIR = 0xFF; // 定義端口P5為輸出方向</p><p>　　P4OUT= ~temp; // 送位選碼到P4口</p><p>　　temp = temp<<1; // 準備下一位數(shù)據(jù)的位選

116、碼</p><p>　　P5OUT = seg[ disbuffer[i] ]; // 送段碼</p><p>　　Delay( 500 ); // 延時一會兒</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</

117、b></p><p><b>　　第五章 結(jié)論</b></p><p>　　本系統(tǒng)所設(shè)計的開關(guān)電源采用低功耗的16位單片機MSP430F169最小系統(tǒng)板為控制核心，以基于芯片SG3525的PWM控制技術(shù)、高精度的12位A/D轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，完成了對輸出電壓的設(shè)定調(diào)整和采樣值顯示功能。設(shè)計通過閉環(huán)控制使輸出電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)過流保護及降低損耗的設(shè)計都有較好效果，通過測試，