一种buck型数控电源的设计

李林华，杨 军，陈 明，何 毅

（贵州工业职业技术学院，贵州 贵阳 550008）

0 引 言

随着社会生产对自动化性能要求的不断提升，数控电源已经成为电源发展的基本趋势。综合考虑温度漂移、电源耐久性以及精度等方面的因素，相对于模拟控制，数控电源的优势更明显，也符合自动化实际应用的需求。单片机的发展为数控电源设计提供了一种新的途径[1]。基于此，本文利用单片机设计了一种buck数控电源。

1 组成架构与工作原理

1.1 组成架构

该数控电源的组成架构如图1所示。在该电源中，控制单元采用MSP430单片机，AC电压输入为15 V的变压器，并设计了整流滤波电路对电压进行调整。经过整流滤波后，电压约为21 V。但是，在该电源中并未设置稳压电路，电源电压会随着外部电压的变化而变化。最后，电源经过buck降压转换后输出负载。在该电源中，电压测定采用MSP430内部的A/D转换器，测量结果与键盘输入的电压值比较，若测试结果大于输入电压，则减少PWM的占空比，否则就增加PWM的占空比，以实现可用按键控制输出的目的。当电流超过1 A时，单片机控制继电器打开，切断buck型DC-DC转化电路的电源，达到过流保护的目的，辅助LCD12864显示各项参数，以便观察参数的变化[2]。

1.2 工作原理

目前，开关电源的拓扑结构设计种类相对较多。在本文的设计中，该数控电源的电压相对较低，位于安全电压范围内，同时要求输出电压能够通过按键控制方式进行降压处理。因此，电路中并没有采用隔离控制设计方法，而是电压转换直接采用buck降压变化器实现的。转换电路图，如图2所示。该电路的主要构件为开关器件、续流二极管、电容以及储能电感[3]。由于开关器件所流经的电流相对较大，同时要实现同步降压，因此在设计中增加了阻值相对较高的场效应管[4]。

图1 该电源的组成架构

图2 转换电路结构示意图

2 电路模块设计

在该buck型数控电源设计中，电路模块设计是整个电源设计的重要组成部分，同时是设计工作的主要内容。

2.1 控制器的选择

目前，市场上的单片机种类相对较多，功能方面存在较大差异。因此，选择合适的控制器是影响设计的一个重要因素[5]。本次设计采用MSP430单片机作为控制器。该控制器是美国德州仪器厂研发的一款功率相对较低的控制器，在速度方面也相对较快，内部模块数量也相对较多，能够有效满足数控电源的使用需求。此外，该单片机的另一强大优势在于自带了干路信号捕获与比较分析模块。该模块能够在不使用中央处理器的情况下，根据定时器的信号自动调整波形。最后，MSP430单片机的DCO振荡频率可以达到18 MHz，因此采用该单片机即使没有外界晶振，也可以满足系统的工作要求[6]。

2.2 显示屏设计

该数控电源需要具备良好的人机交互功能，允许用户根据实际需求调整电压。因此，必须要设计显示器才能满足实际应用要求。基于此，该设计中增加了一块LCD12846显示屏。该显示屏与单片机的串行连接，如图3所示。该显示屏不仅显示内容较丰富，而且简化了人们与单片机之间的交互过程，也有效简化了单片机的接口设置。

图3 显示器串行显示

2.3 PWM波驱动电路设计

该电源中，PWM波驱动电路设计存在较大难度，也是实现数控电源的关键。电路中单片机输出的PWM波幅将滑动端的输出接到运算放大器的两个输入端进行差分放大，驱动电路设计如图4所示[7]。

图4 PWM波驱动电路

2.4 其他系统设计

除了以上组成模块外，该数控电源还需要设置基础的硬件系统模块，主要包含按键系统和过压保护系统。这两个系统的设计与传统电源设计之间没有较大差异，在此不再赘述。

3 结 论

Buck型数控电源在自动化生产中具有重要意义。本文利用MSP430单片机设计了一种buck型数控电源，希望能对我国自动化产业的发展有所帮助。