基于单片机控制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 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Boost升压斩波电路DC／DC变换，如图2所示：

　　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。

　　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2 V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 Ω。

　　3.3 PWM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。