基于高性能單片機的功率直流開關電源的設計

　1 引言

　　直流穩壓電源已廣泛地應用于許多工業領域中。在工業生產中(如電焊、電鍍或直流電機的調速等)，需要用到大量的電壓可調的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調節電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開關電源[1]效率高，小型化等優點，傳統的線性穩壓電源、晶閘管穩壓電源逐步被直流開關穩壓電源所取代。開關電源主要的控制方式是采用脈寬調制集成電路輸出PWM 脈沖，采用模擬PID調節器進行脈寬調制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復雜[2]。本文設計了一種以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可調的功率開關電源，由單片機直接產生PWM 波，對開關電源的主電路執行數字控制，電路簡單，功能強大[3]。

　　2 功率直流電源系統原理與整體設計

　　2.1 系統原理

　　本功率直流電源系統由開關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，采用負反饋構成一個自動控制系統。開關電源采用PWM 控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數字PID 調節器控制PWM 輸出，從而控制開關電源的輸出。其中，PID調節和PWM 輸出都由單片機系統采用軟件控制。

　　2.2 系統整體設計

　　系統硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅動電路、單片機系統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構框圖。

　　圖1 單片機控制功率電源結構框圖

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

　　3. 開關電源主電路設計

　　開關電源主電路是用來完成DC-AC-DC 的轉換，系統主電路采用全橋型DC-DC 變換器，如圖2 所示。本系統采用的功率開關器件是EUPEC 公司的BSM 50GB120DN2 系列的IGBT 模塊，每個模塊是一個半橋結構，故在全橋系統中，需要兩個模塊。每個模塊內嵌入一個快速續流二極管。

　　圖2 功率直流電源主電路圖

　　4. 控制電路硬件設計

　　4.1 控制電路結構框圖

　　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 轉換、閉環調節、PWM 信號產生，IGBT 驅動與保護、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、電壓采集電路、IGBT驅動電路和鍵盤、顯示電路等。結構框圖如圖3 所示。系統通過PWM 輸出控制功率轉換開關的導通與關斷時間，完成對輸出電壓的穩定控制，通過A/ D 轉換完成對開關電源輸出電壓的采樣，同時采用電壓閉環控制，開關電源工作時，根據期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機實現對PWM 占空比進行PID 調節。

　　圖3 控制電路結構圖

　　4.2 IGBT 驅動電路設計

　　為了精確控制開關電路的電壓輸出，本系統采用脈寬調制方式調節開關管的工作狀態。根據電壓控制算法(可采用改進的PID 控制算法)設置單片機產生不同占空比的方波信號，經過光電耦合器控制開關器件，調整電路輸出設定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅動是至關重要的。驅動電路的任務是將控制電路發出的信號轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開通或關斷的信號。同時驅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。本系統采用富士電機公司的EXB系列的EXB841 型集成驅動器對IGBT 進行驅動[4]。

　　4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉換

　　系統通過電壓傳感器采集電壓信號，經過A/D 轉換被單片機接收。本系統采用CHV 系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354 單片機內部的A/D轉換器進行模數轉換，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。顯示部分采用動態數碼顯示，以專用的數碼管顯示驅動芯片MAX7219進行驅動。

　　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。電源系統中還有一些輔助電路，過熱、過流和短路保護等。另外，還設有輔助電源部分，提供系統所需電源。

　　5. 系統軟件設計

　　系統軟件主要由主程序和中斷服務程序組成，主要用來實現以下功能：鍵盤掃描、數碼顯示、A/D 轉換、數字PID 調節和PWM 波形產生等。鍵盤掃描和數碼顯示這里不作介紹，本設計主要是采用軟件方式來實現功率直流電源的數字控制。

　　5.1 主程序設計

　　本系統主程序流程圖如圖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，當按下啟動按鈕后，啟動電源系統，這里設定啟動時，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1％。啟動后，調用A/D轉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，調用PID調節運算，更新驅動波形的占空比，然后調用PWM產生子程序輸出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調節子程序流程圖

　　5.2? A/D轉換部分子程序

　　直接利用單片機10位ADC口，A/D轉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，并預制分頻數；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉換后的數值，返還ADTA0、ADTA1中的數據。

　　5.3 PID調節子程序

　　PID調節由單片機來實現，單片機對給定信號與反饋信號相減得到的誤差來計算調整量，用以控制開關的占空比。算法中，做了一點修正，當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KP、KI、KD在調試過程中設定。

　　6. 結束語

　　本系統將開關電源與單片機系統結合起來，設計了一種輸出電壓連續可調的功率開關電源。該電源精度高，電路簡單，操作靈活，具有良好的應用前景。單片機控制直流電源符合電力電子新技術產品向“四化”方向發展的要求，即應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數字化、產品性能的綠色化。