摘 要：本文基于高性能單片機設(shè)計了數(shù)字控制的功率直流開關(guān)電源。首先介紹了該電源的原理及整體設(shè)計方案，其次介紹了部分關(guān)鍵電路的硬件設(shè)計，采用軟件方式來實現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制，給出了主程序及部分關(guān)鍵部分的程序流程圖。該電源具有輸出電壓連續(xù)可調(diào)、精度高、電路簡單、操作靈活等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;數(shù)字控制

Abstract：Based on the design of a number of high-performance MCU control of the power of DC switching power supply. First introduced the power of principle and the overall design scheme, introduced the Second Circuit key part of the hardware design, software methods used to achieve power direct current power of digital control, given the main program and some key part of the process flow chartThe continuous power supply with adjustable output voltage, high precision, simple circuit, the advantages of flexible operation.

Keyword：Switching Power SupplyDigital Control

1 引言

　　直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中（如電焊、電鍍或直流電機的調(diào)速等），需要用到大量的電壓可調(diào)的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調(diào)節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開關(guān)電源[1]效率高，小型化等優(yōu)點，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源逐步被直流開關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。開關(guān)電源主要的控制方式是采用脈寬調(diào)制集成電路輸出PWM 脈沖，采用模擬PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行脈寬調(diào)制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復(fù)雜[2]。本文設(shè)計了一種以ST 公司的高性能單片機μpsd3354 為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開關(guān)電源，由單片機直接產(chǎn)生 PWM 波，對開關(guān)電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡單，功能強大[3]。

2 功率直流電源系統(tǒng)原理與整體設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)原理

　　本功率直流電源系統(tǒng)由開關(guān)電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號，采用負(fù)反饋構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。開關(guān)電源采用PWM 控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器控制PWM 輸出，從而控制開關(guān)電源的輸出。其中，PID調(diào)節(jié)和 PWM 輸出都由單片機系統(tǒng)采用軟件控制。

　　2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅(qū)動電路、單片機系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。圖1為單片機控制功率直流電源結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 單片機控制功率電源結(jié)構(gòu)框圖

　　從圖1中可以看到，50Hz、220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來自電網(wǎng)的干擾，然后進(jìn)入到輸入整流濾波器進(jìn)行整流濾波，變換成直流電壓信號。該直流信號通過功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信號，高頻交流信號再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出[1]。控制電路采用PWM脈寬調(diào)制方式，由單片機產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的PWM控制信號經(jīng)驅(qū)動電路處理后，驅(qū)動功率變換電路工作。利用單片機高速ADC轉(zhuǎn)換通道定時采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)。電壓采集電路實現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開關(guān)電源發(fā)生過壓、過流和短路故障時，保護電路對電源和負(fù)載起保護作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動電路等提供直流電源。

3. 開關(guān)電源主電路設(shè)計

　　開關(guān)電源主電路是用來完成DC-AC-DC 的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)主電路采用全橋型DC-DC 變換器，如圖2 所示。本系統(tǒng)采用的功率開關(guān)器件是 EUPEC 公司的BSM 50GB120DN2 系列的IGBT 模塊，每個模塊是一個半橋結(jié)構(gòu)，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個模塊。每個模塊內(nèi)嵌入一個快速續(xù)流二極管。

　　 圖2 功率直流電源主電路圖

4. 控制電路硬件設(shè)計

　　4.1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖

　　功率直流電源的控制電路采用ST 公司的μpsd3354 單片機為核心。控制電路主要完成如下功能：電壓采集、A/D 轉(zhuǎn)換、閉環(huán)調(diào)節(jié)、PWM 信號產(chǎn)生，IGBT 驅(qū)動與保護、鍵盤輸入和輸出電壓顯示等功能。控制電路主要包括：單片機系統(tǒng)、電壓采集電路、IGBT驅(qū)動電路和鍵盤、顯示電路等。結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。系統(tǒng)通過PWM 輸出控制功率轉(zhuǎn)換開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定控制，通過A/ D 轉(zhuǎn)換完成對開關(guān)電源輸出電壓的采樣，同時采用電壓閉環(huán)控制，開關(guān)電源工作時，根據(jù)期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機實現(xiàn)對PWM 占空比進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計

　　為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法（可采用改進(jìn)的PID 控制算法）設(shè)置單片機產(chǎn)生不同占空比的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關(guān)器件，調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅(qū)動是至關(guān)重要的。驅(qū)動電路的任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開通或關(guān)斷的信號。同時驅(qū)動電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護等功能。本系統(tǒng)采用富士電機公司的EXB系列的EXB841 型集成驅(qū)動器對IGBT 進(jìn)行驅(qū)動[4]。

　　4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉(zhuǎn)換

　　系統(tǒng)通過電壓傳感器采集電壓信號，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換被單片機接收。本系統(tǒng)采用CHV 系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354 單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，線路連接簡單，精度最大為5mV。基本能滿足控制要求。

　　4.4 鍵盤和顯示電路

　　功率直流電源的鍵盤和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機控制。本系統(tǒng)采用自制4?4 矩陣鍵盤，以單片機的PB4～PB7 做輸出線，PB0～PB3 做輸入線。顯示部分采用動態(tài)數(shù)碼顯示，以專用的數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片MAX7219進(jìn)行驅(qū)動。

　　4.5 其他輔助電路

　　為了使功率直流電源能夠可靠、安全的工作。電源系統(tǒng)中還有一些輔助電路，過熱、過流和短路保護等。另外，還設(shè)有輔助電源部分，提供系統(tǒng)所需電源。

5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主要用來實現(xiàn)以下功能：鍵盤掃描、數(shù)碼顯示、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字PID 調(diào)節(jié)和PWM 波形產(chǎn)生等。鍵盤掃描和數(shù)碼顯示這里不作介紹，本設(shè)計主要是采用軟件方式來實現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制。

　　5.1 主程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。主流程在完成各種變量和I/O初始化后，可以輸入期望電壓值并存入寄存器，當(dāng)按下啟動按鈕后，啟動電源系統(tǒng)，這里設(shè)定啟動時，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1%。啟動后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序并讀入鍵值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，調(diào)用PID調(diào)節(jié)運算，更新驅(qū)動波形的占空比，然后調(diào)用PWM產(chǎn)生子程序輸出PWM信號，并通過顯示子程序顯示輸出電壓。

圖4 主程序流程圖 圖5 PID調(diào)節(jié)子程序流程圖

　　5.2 A/D轉(zhuǎn)換部分子程序

　　直接利用單片機10位ADC口，A/D轉(zhuǎn)換部分程序比較簡單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預(yù)制分頻數(shù);配置控制寄存器ACON;讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，返還ADTA0、ADTA1中的數(shù)據(jù)。

　　5.3 PID調(diào)節(jié)子程序

　　PID調(diào)節(jié)由單片機來實現(xiàn)，單片機對給定信號與反饋信號相減得到的誤差來計算調(diào)整量，用以控制開關(guān)的占空比。算法中，做了一點修正，當(dāng)偏差與積分符號相反時，積分清零。因為若符號相反，說明積分項起了反作用，故把積分項清零[5]。PID控制流程圖如圖5所示，參數(shù)KP、KI、KD在調(diào)試過程中設(shè)定。

6. 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)將開關(guān)電源與單片機系統(tǒng)結(jié)合起來，設(shè)計了一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功率開關(guān)電源。該電源精度高，電路簡單，操作靈活，具有良好的應(yīng)用前景。單片機控制直流電源符合電力電子新技術(shù)產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。

參考文獻(xiàn)：

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　　[3] 王增福，李翅，魏永明.軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，200

　　[4] ]郝潤科，楊一波.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）驅(qū)動及保護電路的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2004，26（3）:283-285

　　[5] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002。