北京交通大学模电研讨报告

1、基于MSP430的开关稳压电源设计基于MSP430的开关稳压电源设计李帆 刘强 李亚伟北京交通大学 电子信息工程学院 电子1101摘 要：随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定

2、，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。介绍基于MSP430单片机的开关稳压电源的系统结构和总体设计方案，该设计硬件电路有整流滤波电路、升压斩波电路、PWM驱动电路及保护电路组成。该系统的软件功能主要包括12高精度A/D采集、PWM驱动电路、过流保护等模块的实际，同时具有键盘设定、液晶显示实时等功能。关键词：MSP430；开关稳压电源；PWM；升压斩波Design of

3、 switching power supply based on MSP430Li Fan Liu Qiang Li YaweiBJTU School of Electronic Information Engineering Electronic 1101Abstract:With the development of electronic technology, application field of electronic system is more and more extensive, electronic equipment species more and more, the

4、demand for power is more flexible and diversified. Electronic equipment miniaturized and low cost in the power of light and thin, small and efficient for development direction. The traditional serial adjustment manostat, transistor is continuous control linear manostat, this traditional manostat tec

5、hnology more mature. And there have been many integrated linear manostat module, has the stable performance is good, output ripple voltage small, reliable operation, etc. But its usually need are bulky and heavy industrial frequency transformer and isolation with, filter the bulk and weight are also

6、 great. And adjust the tubes work in linear amplification state, in order to guarantee the output voltage stability, between the collector and emitter voltage difference must bear larger, resulting in bigger, power regulating transistor power consumption is very inefficient, usually only around 45%,

7、 moreover, due to the adjustment of the tube consumption, so need large power by high power adjustment tube and equipped with large radiator, so it is difficult to meet the requirements of the development of electronic equipment. Thus contributed to high efficiency, small volume, light weight of the

8、 rapid development of switch power This page introduces a system structure of switching power supply based on MSP430 single chip computer and a total design project, the hardware includes load resistance of rectifier filer circuits, boost chopper circuit, PWM driving circuit and protection circuit.

9、The software adopts C language writing, to complete some designs of high precision A/D data acquisition of 12 bit, overload protection, it has the functions of setting of keyboard and display of real-time value Keywords: MSP430; switch supply; PWM; boost chopping1开关式稳压电源的简介1.1 开关电源的基本结构图1画出了开关稳压电源的原

10、理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。图1.1 开关稳压电源原理图及等效原理图1.2 开关式稳压电源的基本工作原理   开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调

11、频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。  调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。 调宽式开关稳压电源的基本原理   对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压。可由公式计算，即Uo=Um×T1/T  式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um 与T 不变时，直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样

12、，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。1.3 稳压开关电压的基本原理电路整流滤波高频变换器调宽方波整流滤波脉宽调制比较器取样器振荡器基准电压控制电路AC输入DC 稳压开关电压的基本原理框图开关式稳压电源的基本电路框图如图所示。  交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。  控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化

13、，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。14开关稳压电源的优点1.4.1功耗小，效率高在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。1.4.2体积小，重量轻从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开

14、关稳压电源的体积小，重量轻。1.4.3稳压范围宽从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。  滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，

15、这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/5001/1000。1.4.4电路形式灵活多样例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。15开关稳压电源的缺点开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏

16、蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。2 系统结构和总设计方案2.1 基于MSP430的开关电源设计本开关稳压电源是以MSP430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AD转换模块，有高速、通用的特点。键盘控制，PWM波产生，基准电压设定；电压电流显示；过电流保护等。2.2 系统结构及思路基于题目的基本要求，可以采用图一所示的方案。系统主要由整流滤波、DC-DC变换器、控制系

17、统、显示等电路组成。变压经过整流滤波电路转换为直流电压模块实现数码管显示、A/D转换、过流保护、DC-DC电压输出控制和稳压、显示、人机交换等功能，保护电路实现输出电流过流保护功能。整流滤波DC-DC变换负载过流保护键 盘控制系统显示思路设计图2.3控制系统方案：单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。该方案的优点：控制系统软件编程工作量较小，难度不大；用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为100KHz的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好；单片机控制的任务较轻，对单片机硬件资源要求不高。该方案的缺点：硬件器件设计难度较大；电路板布线工作量较大；单片机和和脉宽调制型控

18、制器共同实现整个系统的控制，系统的组成框图如下图所示，脉宽调制直接控制DC-DC变换模块。单片机实现数码管显示，A/D转换、过流保护、对脉宽调整前进行控制、显示和人机交换等功能；过流保护使负载不超过2.5A；  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AD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。AC输入整流滤波电路DC-DC转换电路负载驱动A/D采样电压反馈过电

19、流保护MSP430单片机键盘设定基准电压电压电流 显示PWM系统框图2.4 DC-DC的作用及调制方式 2.4.1 DC-DC的作用 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC-DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三极管，电容器构成。在讨论DC-DC转换器的性能时，如果单针对控制芯片，是不能判断其优劣

20、的。其外围电路的元器件特性，和基板的布线方式等，能改变电源电路的性能，因此，应进行综合判断。 B: 调制方式 1: PFM（脉冲频率调制方式） 开关脉冲宽度一定，通过改变脉冲输出的时间，使输出电压达到稳定。 2: PWM（脉冲宽度调制） 开关脉冲的频率一定，通过改变脉冲输出宽度，使输出电压达到稳定。 C: 通常情况下，采用PFM和PWM这两种不同调制方式的DC-DC转换器的性能不同点如下。 PWM的频率，PFM的占空比的选择方法。 PFM调制方式 占空比较大的情况（如：Duty=75%）占空比较小的情况（如：Duty=58%） （1）小负载时，效率较低。 （3）小负载时，效率较高。 （2）可输

21、出较大的电流。 （4）输出的电流较小。 因此，选用75%的占空比，可得到较大的输出电流。若在负载不是很大的情况下，选用58%的占空比，效率会较高. 用MOSFET替换BJT晶体管作为外围电路的开关部件对效率的影响。 效率会相应提高。因为BJT管需要对其基极提供驱动电流，这增加了电路的电流消耗，而MOSFET是电压驱动，无需对其栅极提供电流，也就不会增加电路的电流消耗。 但是，实际应用时请考虑MOSFET是否对周边元器件产生影响。 DC-DC转换器（开关调整器）的尖峰噪音。 DC-DC转换器（开关调整器）通过开关动作进行升压或降压，特别是晶体管或场效应管处于快速开关时，会产生尖峰噪音，以及电磁干

22、扰。2.4.2 DC/DC变换器的论证和选择由题目规定中明显可看出其输入电压小于输出电压，于是需要采用升压电路。方案 采用晶体管恒流该方案的优点是能获得较为稳定的恒流输出，且调节电流也很方便。但其效率不高，在以高效恒流的设计背景下明显不可取。方案 如下图所示采用BUCK降压电路通过控制开关的占空比，来实现调压从而实现流经负载的电流恒定。该方案的优点是效率极高，理论上可以逼近100%，且结构很简单，但控制方式比较复杂。但借助于TI公司提供的MSP430系列高速超低功耗MCU，实现起来并不会很困难，故选用本方案。本设计选择了Boost变换器。Boost变换器电路结构简单，由开关管、二极管、电感等元

23、件组成，便于进行电路设计，稳压性能优，并且转换效率高，原理图如下图所示 Boost变换器原理图如下图所以，经过滤波后，升压斩波电路图升压斩波电路  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

24、开关周期；I0为负载电流；V为输出电压纹波。2.5 PWM的设计2.5.1 PWM的产生方式及论证方案一：有单片机直接产生MSP430单片机直接输出可调PWM波，虽然应用简单，但是其输出脉宽最小天劫范围最大，不利于控制，而且编程工作量大，难度高。方案二：有三角波产生 采用三角波于可调电压比较器比较，也可以实现脉宽可调，但是驱动能力有限，用运算放大后，可以满足要求，但是电路结构复杂，不便于制作。方案三：使用PWM集成控制器 使用单芯片的PWM集成控制器，电路结构简单，便于用单片机进行控制，配合模拟图腾柱电路，驱动开关管较为理想。故系统采用方案三。2.5.2 PWM驱动电路的设计电力MOSFET驱

25、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。PWM驱动电路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1020 V。2.6 电流取样电阻的方案产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法，测量电流一般采

26、用的方法是测量电流流经电阻两端的电压间接计算得到的。因此在残生电流或者测量电压值时，取样电阻的选择非常重要。康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻，起特点在于温度漂移量非常小。经过测试，在1的康锰铜电阻丝上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.2左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。另一个方面，1的康锰铜电阻丝约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。2.6.1 采样电路的确定和设计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

27、流采集。采样电路电压采集 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 。2.7 保护电路的设计过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。当电流大于限定值的

28、时候，使用继电器常闭触点断开进行保护。用MSP430单片机控制继电器的常开常闭的吸合，实现自动恢复电路工作的功能。如图5所示： 保护电路软件设计3.1主回路器件的选择及参数计算开关电路核心电路开关电路核心电路在主回路的器件选择中主要是电感和电容，其中电感的选择方法计算如下：各参数定义：场效应管关闭时流经电感的电流Ion：场效应管导通时流经电感的电流Vin：经整流滤波后输出电压Vo：输出电压VL：电感两端电压T： 开关周期Ton：一个周期内开关导通时间一个周期内开关关闭时间D：占空因数流经电感的电流表达式：i(t)=i(0)+VL/LdtMOSFET导通时流经电感的电流：iL= +VL/Ldt=

29、+VL*t/LMOSFET关闭时流经电感的电流：iL=Ion-(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，则：Ion=+Vin*Ton/L(1)=Ion-(Vo-Vin)* /L(2)由(1)(2)两式可得：Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)上式即为开关电路的输出电压与输入电压的关系。在导通期间电路消耗的能量为：Eon=P(t)dt=i(t)Vindt=(+Vin*t/L)Vindt= Pout*T，得:=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton在开关电路的导通和关闭时期，电感的电流应是连续的，需满足：>=0则：L>=Vin2T

30、on2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf当D=1/2时，Vo=2Vin,上式右边取最大值，此时：L>=Vo2/32Poutf题目要求：输入电压Vin的范围是15V到21V,输出电压Vo的范围是30V到36V。由于经整流滤波后电压会有所提高，一般满足：Vinmin=15*1.2V=18VVinmax=21*1.414-1.5=28VVomin=30VVomax=36V于是：Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要达到50%。若取f=100kHz,Iomin=0.1A，则可计算出Lmin的取值可为0.1mH

31、。 3.2 MSP430的外围设计 MSP430单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活地配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率；430F449有ADC12模块能够实现12位精度的模数转换、硬件乘法器以及带有PWM输出功能的TIMERA和TIMRB定时器，使得整个电路不需要任何扩展就能完成对电源输出电压、电流的实时采集、PI控制、PWM输出；同时MSP430F449带有内部LCD驱动模块，直接将液晶显示屏连接在芯片的驱动端口即可，电路结构极为简单。 MSP430接口图键盘控制和显示模块：通过键盘可实现电压参考值的设定，电压电流的切换显示。 矩阵式键盘图中行线P1.0-P1.3通过上拉电阻接电源，出于输入状态，列线P1.4-P1.7为输出状态。键盘上没有按键闭合时，所有行线P1.0-P1.3输入全为高电平。当键盘上某个按键闭合时，则对应的行线和列线短接。 开始准备列扫描的初值“1110键值初始为“0“送入扫描值P1.2=0?P1.0=0?P1.1=0?P1.3=0?调整列扫描值返回键值YYYY矩阵式键盘的按键识别过程通过LED实现参考电压的设定与显示，通过LCD显示电压和电流的采集值。LCD时序控制图如下