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1、采用 MSP430单片机的开关稳压电源设计1 引 言MSP430 系列单片机是美国TI 公司生产的新一代16 位单片机，是一种超低功耗的混合信号处理器 (MixedSignal Processor ，它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点，具有很高的性价比，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。开关 Boost 稳压电源利用开关器件控制、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。对 DC-DC 主回路采用 Boost 升压斩波电路。2
2、 系统结构和总设计方案本开关稳压电源是以 MSP430F449 为主控制器件，它是TI 公司生产的16 位超低功耗特性的功能强大的单片机，其低功耗的优点有利于系统效率高的要求，且其ADC12 是高精度的 12 位 A D 转换模块，有高速、通用的特点。这里使用MSP430 完成电压反馈的 PI 调节； PWM 波产生，基准电压设定；电压电流显示；过电流保护等。系统框图如图 1 所示。3 硬件电路设计3.1 DC DC 转换电路设计系统主硬件电路由电源部分、整流滤波电路、DC DC 转换电路、驱动电路、MSP430 单片机等部分组成。交流输入电压经整流滤波电路后经过DC DC 变换器，采用Boo
3、st 升压斩波电路 DC DC 变换，如图 2 所示：1 / 6根据升压斩波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：式(1 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与输入输出电压要求，根据实际电路的要求选用合适的电感值，且要注意其内阻不应过大，以免其损耗过大减小效率采样电路。对于电容的计算，在指定纹波电压限制下，它的大小的选取主要依据式(2 ：式(2 中： C 为电容的值； D1 为占空比； TS 为 MOSFET 的开关周期； I0 为负载电流； V 为输出电压纹波。3.2 采样电路采样电路为电压采集与电流采集
4、电路，采样电路如图3 所示。其中P6.0 ， P6.1 为MSP430 芯片的采样通道，P6.0 为电压采集， P6.1为电流采集。2 / 6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2.5 V ，因此要将输入的采样电压限制在2.5 V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 36 V 时，采样电压为：12 (12+200 36=2.04 V ，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 2.5 V ，且所需康铜丝需自制。考虑以上方面在康铜丝阻值选取上约为0.1 。3.3 PWM
5、 驱动电路的设计电力 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4 所示。由于单片机为弱电系统，为保证安全需要与强电侧隔离，防止强电侧的电压回流，烧坏MSP430 ，先用开关光耦进行光电隔离，再经三极管到MOSFET的驱动电路IR2101 。MSP430 产生的 PWM 波，经过光耦及后面的IR2101 芯片，在芯片的5 管脚输出的PWM波接到 MOSFET的门极 G 端，使其工作。IR2101 是专门用来驱动耐高压高频率的N 沟道MOSFET 和 IGBT 的。它是一个 8 管脚的芯片，其具有高低侧的输出参考电平。门极提供的电压范围是 10 20 V 。3.4 保护电路
6、的设计过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。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3 / 6护。用 MSP430 单片机控制继电器的常开常闭的吸合，实现自动恢复电路工作的功能。如图5所示：4 软件设计MSP430 单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活地配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率；430F449 有 ADC12 模块能够实现12 位精度的模数转换、硬件乘法器以及带有PWM 输出功能的TIMERA 和TIMRB 定时器，使得整个电路不需要任何扩展就能完成对电源
7、输出电压、电流的实时采集、 PI 控制、 PWM 输出；同时 MSP430F449 带有内部 LCD 驱动模块，直接将液晶显示屏连接在芯片的驱动端口即可，电路结构极为简单。本设计的软件采用C 语言编写，整个程序包括的子模块有：键盘控制模块、A D 电压和电流采集模块、PI 控制模块和 PWM波发生模块等几个部分，软件流程图如图6 所示。键盘控制和显示模块：通过键盘可实现电压参考值的设定，电压电流的切换显示。通过LED 实现参考电压的设定与显示，通过LCD 显示电压和电流的采集值。AD 电压和电流采集模块：通过MSP430 单片机的 12 位 A D 转换模块，对系统输出的电压值和负载电流进行采
8、集。PI 控制模块：此模块用来对系统输出电压进行控制，使输出电压稳定。其控制原理如图7所示。PWM 波发生模块：利用 MSP430 单片机的 TimerB 定时器的比较功能，产生驱动 MOSFET 的信号。5 实验结果分析通过单片机 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 3 个指标能达到良好的效果。而能否对纹波电压限制，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。4 / 6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他器件损耗影响，因此在器件选取上要注重其损耗的高低。对此系统的进行综合测试，结果如表1 所示。6 结 语本开关稳压电源设计采用低功耗的 TI 公司的 16 位单片机 MSP430F449 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5 / 6采样值显示与设置电压值的功能和参数指标。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。6 / 6
