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基于单片机控制的开关电源模块

作者:时间:2018-09-07来源:网络收藏

摘要:传统的开关电源一般以恒流或恒压工作,不能根据负载调节输出电压或电流,本文中,我们设计了一种数字控制的开关电源模块。该电源模块是以TI公司的MSP430为控制核心,通过数字PID调节器控制反馈输出来实现的。首先介绍了该电源模块的工作原理及整体设计方案,其次介绍了部分关键电路的硬件设计,给出了主程序及部分子程序的流程图。与传统的开关电源相比,该电源模块具有体积小、精度高、电路简单、输出电压连续可调等优点。
关键词:单片机;开关电源模块;数字控制;PID调节

开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开关管(MOSFET、IGBT)开通和关断的时间比率来稳定输出电压的一种新型稳压电源,目前已广泛地应用于许多领域中。随着科学技术的发展和电子产品的不断涌现,许多电子产品对电能质量的要求越来越高,一些原始电能已经无法满足用户的需求,必须经过电能转换的处理后才能使用。传统的开关电源的主要控制方式是采用脉宽调制集成电路的输出PWM脉冲,采用模拟PID调节器进行脉宽调制,这种控制方式的缺点为:体积庞大,电路结构复杂,外界不能及时地对其工作状态进行调节,且一般以恒流或恒压工作,也不能根据负载调节输出电压或电流。
为了解决上述控制方式的缺点,文中设计了一种以TI公司的高性能MSP430单片机为控制核心的开关电源模块,根据设定值和电源输出电压之差,由单片机直接对开关电源模块的主电路实现数字控制。本开关电源模块控制核心是MSP430F449单片机,它是TI公司生产的功能非常强大的单片机,其低功耗的优点满足了电源模块高效率的要求。本电源模块可以方便外界及时地对其工作状态进行调整,并且能根据负载进行自动调节。

1 工作原理和总体设计方案
1.1 工作原理
本开关电源模块是由调压电路和单片机控制系统等部分组成,调压电路改变输出电压,单片机控制系统负责处理采集到的电信号,并反馈给调压电路。本开关电源模块采用数字控制方式,通过给定量和反馈量的比较得到偏差,并通过数字PID调节器控制反馈输出,从而控制开关电源模块的输出。由MSP430单片机采用软件控制PID调节和反馈输出。
1.2 总体设计方案
整个系统由调压电路、辅助电源、采样电路以及单片机控制系统等几部分组成。总体设计框图如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/388680.htm


从图1中可以看到,电能从左侧输入,右侧输出。辅助电源给单片机供电。利用MSP430F449单片机高速ADC转换通道实时采集输出电压与输出电流,并与设定值比较,根据采集值和设定值之间的误差进行PID调节。

2 硬件设计
2.1 调压电路及采样电路设计
如图2所示,调节电路由U1、功率MOSFET等构成。U1是TPS40304,是调节电路的核心,该芯片提供了各种可编程功能,包括软启动设计、过电流保护、环路补偿,该芯片的2号引脚是软启动编程引脚,连接到GND的电容CSS为软启动提供时间延迟。相比传统的普通的整流二极管,导通电阻低的MOSFET整流管压降低,在低压大电流场合,可以降低损耗,大大的提高了电源的效率。


采样电路由U2、R3、R4、RR1和RR2构成。U2是MAX9934电流检测放大器,MAX9934的RS+和RS-引脚接在R3的两端,该芯片的OUT引脚的输出电流通过电阻R4产生输出电压,该输出电压与R3两端的电压成正比,反应了负载电流,该电压由MSP430单片机采样。从电阻RR1和RR2的中间取得电压信号传给MSP430单片机的一个AD引脚,由单片机采样,检测输出电压。
2.2 键盘控制和液晶显示模块
通过键盘可以实现电压参考值的设定,输出电压和电流的切换显示。由于MSP430F449单片机带有内部LCD驱动模块,可以直接将液晶显示模块连接在芯片的驱动端口,显示电压和电流的采集值。也可以取消键盘和显示模块,用MSP430F449自带的I2C接口,输入和输出电压与电流值,不仅可以减小体积,方便集成化,还可以接收其他电路传递来的控制信号。


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