一种基于MSP430单片机的开关电源设计

郭 键，朱 杰，董萍萍

（北京物资学院 信息学院，北京 101149）

在不同的电子产品研发过程中、一些电子设备检修场合、硬件电路的电气特性测试中都会需要不同电压值的直流电源，可调式直流稳压电源是各类电子设备不可或缺的组成部分。

目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类[1]。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低，很难在输出大于5A的场合应用[2-3]。而被誉为高效节能的开关电源，具有体积小，重量轻，输入电压范围宽，保护功能齐全等优点，广泛地应用于照相机、摄像机、PDA、手提电脑、便携式检测设备以及工业自动化、航空、仪表仪器等领域，正逐渐成为稳压电源的发展方向[4-8]。

1 传统开关电源的工作原理及不足

开关电源是通过调整工作在开关状态的晶体管的导通或关断的时间来调整输出电压的。开关稳压电源电路一般包括误差放大器、基准源、锯齿波发生器、PWM比较器、开关管、二极管和电感等。

1.1 传统开关电源的工作原理

传统的开关电源的输出电压首先经过电阻采样网络，之后与内部基准电压进行比较，两者之差经误差放大器滤波、放大、翻转，其输出作为脉冲宽度调制器（PWM）两个输入之一。PWM比较器的另一个输入是锯齿波，这样在PWM比较器的输出端就得到了占空比正比于误差放大器输出值的方波，即PWM比较器输出的变化量是开关脉宽。所以，若输出上升，误差放大器的输出电压下降，占空比变小以使输出变小；反之则误差放大器的输出电压上升，占空比变大以使输出变大，此即为开关电源调节系统的工作原理。图1是buck拓扑结构开关稳压电源。

如图1所示，稳态时，连接R1和R2的节点的电压可认为（几乎）等于VREF。忽略Z1与电阻节点间的电流，通过欧姆定律可有 R2/（R1+R2）=VREF/VOUT，故输出电压为 VOUT=VREF*（1+R1/R2）。在将控制环路理论应用到该电源中时，一般只关注变化（或者扰动），而不关注直流量。若误差放大器只是普通的电压反馈型运算发达器，则下位分压电阻R2只起到直流偏置作用，在交流环路分析中不起任何（直接的）作用。

图1 buck拓扑结构开关稳压电源Fig.1 Buck topology of switching power supply

1.2 传统开关稳压电源的不足

一般而言，开关稳压电源是通过改变对输出电压的采样比例来调节输出电压值的。普通可调式直流稳压电源采用多圈机械电位器用作输出电压调整。机械电位器存在机械磨损、震动、频繁动作容易损坏等缺点。另外，用作可调式直流稳压电源的电压调整还存在着调压困难、调整的精度低、一致性差等不足。随着电子技术的发展，出现了利用数字电位器代替多圈电位器的可调式直流电源。但数字电位器的输出分辨力较低，一般在10位以下，调整精度也不能达到很高的水平。为缓解此不足，文中设计了一种新型的电压可调直流稳压开关电源。

2 新型电压可调直流稳压开关电源工作原理

本设计只针对直流变直流部分，不涉及由交流电源转换为直流电源的部分。为使输出电压可调，文中通过在R1和R2的节点处引入一电阻R3和设定电压VSET来实现，如图2所示。

图2 设定电压图Fig.2 Figure of setting voltage

稳态工作时假定Z1与3个电阻节点间没有电流流过，则VFB=VREF，因此VOUT、VFB及VSET3者间的关系表达式由电路的叠加原理有：

上式中Rx//Ry为x和y两个电阻并联后的电阻值，则有：

将VFB=VREF带入上式得：

由式（2）可见，VSET与VOUT成反比线性关系，因此通过设定不同的给定电压，即可得到不同的输出电压，实现了输出电压的调节。

3 新型的电压可调直流稳压开关电源的设计

3.1 新型的电压可调直流稳压开关电源的硬件设计

本电压可调开关电源硬件部分主要包括辅助电源系统、系统主电路、系统单片机电路等几个主要部分。

3.1.1 辅助电源系统

电压可调开关电源的辅助电源系统如图3所示。

系统由一片集成DCDC转换芯片TPS5430及其外围电感、电阻电容和二极管组成的电源电路把直流电压+24 V转换成+6 V DC，+6 V DC通过线性电源芯片LT1764EQ及其所属电路元件获得+5 VA电源，+5 VA通过线性电源芯片REG1117-3.3及其所属电路元件得到+3.3 V电源。+3.3 V给系统的单片机及数字接口供电；+5 VA给运算放大器OPA2350及电压基准源供电。

3.1.2 系统主电路

系统主电路如图4所示。

系统主电路实现电压的可调输出，电源变换电路采用buck拓扑结构，+24 V由成熟的ACDC电源电路部分供给。图4中A区为电源变换电路部分，B区电路产生设定电压 VSET。

图4A 区中，U2（TPS5430DDA）、L2（电感）、VD2（续流二极管）、C8、C9、R1、R2及 R3构成了 buck 拓扑的 DCDC 降压变换电路。TPS5430DDA引脚4在工作时电位被钳位在1.221 V，将图2中R1、R2和 R3的值代入式（2），得图 4电路的电压输出公式为（单位V）：

图3 辅助电源Fig.3 Auxiliary power supply

图4 系统主电路Fig.4 Main circuit of the system

由式（3）得出，VSET小于0.164 1 V时VOUT得到最大值，即输入电压24 V，VSET大于0.164 1 V后，VOUT随着VSET的增加而线性减小，其比例系数为-10。C6和C7为输入电容；R6和R9组成输出电压采样网络，单片机通过片上集成的12位模数转换器对输出电压信号进行采样，以对输出电压进行监控，必要时对输出电压进行调整；U9 （INA138NA）、R27、R28、R29及C41组成输出电流采样电路，单片机通过片上集成的12位模数转换器对输出电流信号进行采样，实现对输出电流的监控和过流保护。

图4 B区是含2阶RC滤波的脉冲宽度调制信号转模拟信号的电路。单片机输出的PWM波驱动MOS管VT1，使得VT1工作在开关状态，忽略VT1的导通电阻，则其漏极端在其导通时为0 V，关断时为2.5 V，因此2阶RC低通滤波的输入是脉冲高度是2.5 V的脉冲宽度调制信号，滤波后直流量被OPA2350放大后作为设定电压送到R3。

3.1.3 系统的单片机电路

电路图如图5所示。

图5 系统的单片机电路Fig.5 Single-chip circuit of the system

单片机U7利用自身集成的12位模数转换器实现对输出电流电压的采样，引脚61是输出电流信号的输入，引脚60是输出电压信号的输入，单片机检测到输出电流超过设定值后，通过禁止U2而关断输出电压，实现过流保护；单片机检测输出电压，若由于元器件参数的离散性或系统的时间漂移或温度漂移等导致输出偏离设定值，则可对输出电压进行控制调节，从而降低系统的温漂、时漂和元器件参数容差的影响。引脚44输出到U2（TPS5430DDA）的使能信号引脚5（中间通过R7），只有引脚44输出高电平时U2才能工作，输出可调的电压。键盘电路的K1连接到U7的引脚20上，K2连接到U7的引脚21上，电源上电后输出默认值，按K1键升高输出电压，按K2键降低输出电压。

3.2 新型的电压可调直流稳压开关电源的软件设计

电源控制程序流程图如图6所示。

程序工作过程如下：外电源上电后，辅助电源工作，控制系统启动，单片机电源使能信号输出零来禁止电源工作，接着单片机以最大占空比输出PWM波，然后再使能电源工作，此时电源输出电压最低。此后使用者通过键盘输入需要的输出电压，单片机根据用户输入调整PWM占空比，并间隔固定时间采样输出的电压电流，若采样电压与期望输出电压差值超过设定值，则程序调整PWM波的占空比，以此调整输出电压。当检测到输出电流大于最大允许输出电流时，则认为系统出现过流故障，单片机电源使能信号输出零来禁止电源工作，以此实现过流保护。

图6 程序控制流程图Fig.6 Program control flow graph

4 结 论

开关电源因其自身节能高效等特性代表着稳压电源的发展方向，而逐渐成为稳压电源的主流产品。本文分析传统开关电源的原理及不足，提出了一种新型的电压可调的开关稳压电源的设计与实现方式。在不改变电源转换电路反馈的动态性能的前提下，实现了对输出电压的可调。同时单片机采样电流信号，实现输出的过流保护；通过采样输出电压信号，降低了电源的温漂、时漂和元器件参数容差造成的输出误差。同时电压设定量通过PWM信号转换为模拟信号获得，可有效降低系统成本，并达到输出电压较高的分辨力。

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