基于高性能單片機的功率直流開關電源的設計

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