基于單片機控制的開關電源模塊

摘要：傳統的開關電源一般以恒流或恒壓工作，不能根據負載調節輸出電壓或電流，本文中，我們設計了一種數字控制的開關電源模塊。該電源模塊是以TI公司的MSP430為控制核心，通過數字PID調節器控制反饋輸出來實現的。首先介紹了該電源模塊的工作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，給出了主程序及部分子程序的流程圖。與傳統的開關電源相比，該電源模塊具有體積小、精度高、電路簡單、輸出電壓連續可調等優點。
關鍵詞：單片機；開關電源模塊；數字控制；PID調節

開關電源是利用現代電力電子技術控制功率開關管(MOSFET、IGBT)開通和關斷的時間比率來穩定輸出電壓的一種新型穩壓電源，目前已廣泛地應用于許多領域中。隨著科學技術的發展和電子產品的不斷涌現，許多電子產品對電能質量的要求越來越高，一些原始電能已經無法滿足用戶的需求，必須經過電能轉換的處理后才能使用。傳統的開關電源的主要控制方式是采用脈寬調制集成電路的輸出PWM脈沖，采用模擬PID調節器進行脈寬調制，這種控制方式的缺點為：體積龐大，電路結構復雜，外界不能及時地對其工作狀態進行調節，且一般以恒流或恒壓工作，也不能根據負載調節輸出電壓或電流。
為了解決上述控制方式的缺點，文中設計了一種以TI公司的高性能MSP430單片機為控制核心的開關電源模塊，根據設定值和電源輸出電壓之差，由單片機直接對開關電源模塊的主電路實現數字控制。本開關電源模塊控制核心是MSP430F449單片機，它是TI公司生產的功能非常強大的單片機，其低功耗的優點滿足了電源模塊高效率的要求。本電源模塊可以方便外界及時地對其工作狀態進行調整，并且能根據負載進行自動調節。

1 工作原理和總體設計方案
1．1 工作原理
本開關電源模塊是由調壓電路和單片機控制系統等部分組成，調壓電路改變輸出電壓，單片機控制系統負責處理采集到的電信號，并反饋給調壓電路。本開關電源模塊采用數字控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數字PID調節器控制反饋輸出，從而控制開關電源模塊的輸出。由MSP430單片機采用軟件控制PID調節和反饋輸出。
1．2 總體設計方案
整個系統由調壓電路、輔助電源、采樣電路以及單片機控制系統等幾部分組成。總體設計框圖如圖1所示。

從圖1中可以看到，電能從左側輸入，右側輸出。輔助電源給單片機供電。利用MSP430F449單片機高速ADC轉換通道實時采集輸出電壓與輸出電流，并與設定值比較，根據采集值和設定值之間的誤差進行PID調節。

2 硬件設計
2．1 調壓電路及采樣電路設計
如圖2所示，調節電路由U1、功率MOSFET等構成。U1是TPS40304，是調節電路的核心，該芯片提供了各種可編程功能，包括軟啟動設計、過電流保護、環路補償，該芯片的2號引腳是軟啟動編程引腳，連接到GND的電容CSS為軟啟動提供時間延遲。相比傳統的普通的整流二極管，導通電阻低的MOSFET整流管壓降低，在低壓大電流場合，可以降低損耗，大大的提高了電源的效率。

采樣電路由U2、R3、R4、RR1和RR2構成。U2是MAX9934電流檢測放大器，MAX9934的RS+和RS-引腳接在R3的兩端，該芯片的OUT引腳的輸出電流通過電阻R4產生輸出電壓，該輸出電壓與R3兩端的電壓成正比，反應了負載電流，該電壓由MSP430單片機采樣。從電阻RR1和RR2的中間取得電壓信號傳給MSP430單片機的一個AD引腳，由單片機采樣，檢測輸出電壓。
2．2 鍵盤控制和液晶顯示模塊
通過鍵盤可以實現電壓參考值的設定，輸出電壓和電流的切換顯示。由于MSP430F449單片機帶有內部LCD驅動模塊，可以直接將液晶顯示模塊連接在芯片的驅動端口，顯示電壓和電流的采集值。也可以取消鍵盤和顯示模塊，用MSP430F449自帶的I2C接口，輸入和輸出電壓與電流值，不僅可以減小體積，方便集成化，還可以接收其他電路傳遞來的控制信號。