單片機實現(xiàn)開關(guān)電源的設(shè)計

1 引 言
MSP430系列單片機是美國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、無源磁性元件及電容元件的能量存儲特性，從輸入電壓源獲取分離的能量，暫時把能量以磁場的形式存儲在電感器中，或以電場的形式存儲在電容器中，然后將能量轉(zhuǎn)換到負載。對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大的單片機，其低功耗的優(yōu)點有利于系統(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。這里使用MSP430完成電壓反饋的PI調(diào)節(jié)；PWM波產(chǎn)生，基準電壓設(shè)定；電壓電流顯示；過電流保護等。
系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計
3．1 DC／DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
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)動電路、MSP430單片機等部分組成。交流輸入電壓經(jīng)整流濾波電路后經(jīng)過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，電感儲能的大小通過的電流與電感值有關(guān)。在實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)實際電路的要求選用合適的電感值，且要注意其內(nèi)阻不應過大，以免其損耗過大減小效率采樣電路。對于電容的計算，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 因為采樣信號要輸入單片機MSP430內(nèi)部，其內(nèi)部采樣基準電壓選為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，當輸入電壓為36 V時，采樣電壓為：12／(12+200)×36=2．04 V，符合要求。
電流采集 采用康銅絲進行采集。首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，同時MSP430基準電壓為2．5 V，且所需康銅絲需自制。考慮以上方面在康銅絲阻值選取上約為O．1Ω。3．3 PWM驅(qū)動電路的設(shè)計
電力MOSFET驅(qū)動功率小，采用三極管驅(qū)動即可滿足要求，驅(qū)動電路如圖4所示。

由于單片機為弱電系統(tǒng)，為保證安全需要與強電側(cè)隔離，防止強電側(cè)的電壓回流，燒壞MSP430，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IR210l。MSP430產(chǎn)生的PWM波，經(jīng)過光耦及后面的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是專門用來驅(qū)動耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個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 保護電路的設(shè)計
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。當電流大于限定值的時候，使用繼電器常閉觸點斷開進行保護。用MSP430單片機控制繼電器的常開常閉的吸合，實現(xiàn)自動恢復電路工作的功能。如圖5所示：