基于STC8A系列单片机的Zeta型数控电源设计与实现*

龙本锦，张 靖，徐邦贤，何 宇，张 英

（贵州大学电气工程学院，贵阳 550025）

1 引 言

STC8A系列单片机的价格[1]低于数字信号处理器[2]，运行速度比传统8051单片机更快，且内部集成了ADC、PWM模块，无需外部复位电路和晶振电路即可正常使用，因此能够实现开关型数控电源的闭环控制，同时对开关电源产生的高频干扰[3]具有较强的抗干扰特性。STC8A以其优良的抗干扰性强，可实现较为复杂的、运算速度较快数学运算。15位的PWM可获得较高的输出电压的步进精度，且供电电压范围较宽，待机功耗较低，具有应用于开发低成本数字电源的潜力。在此以Zeta型升降压变换器为控制对象，采用STC8A8K64D4单片机作为变换器的数字控制主控芯片，搭配PI单环算法对输出电压进行闭环控制，再通过实验加以验证。

2 总体设计框图

Zeta型升降压电源的设计以STC8A8K64D4作为主控，主要完成硬件电路和控制算法设计两部分，包括：Zeta型升降压电路、开关管驱动模块、AD信号预处理模块、辅助电源模块、STC8A最小系统模块、开关管过流保护电路等，共同实现对输出电压的控制功能。控制器总体设计框图如图1所示。

图1 Zeta型数控电源总体设计框图

3 系统设计

3.1 Zeta型升降压电路分析

数控Zeta变换器主电路如图2所示，它由输入电感Lin、隔直电容Cb1、输出电感Lout、输出电容Cout1、Cout2，开关管Q1、Q2组成，具有输入、输出电压同相位，可升降压的特点。通过驱动模块施加一组互补的PWM脉冲信号令Q1、Q2互补导通，使V_Sw处产生方波电压，经Lout、Cout1、Cout2滤波后输出直流电压供负荷使用。

图2 数控Zeta变换器主电路

3.2 MOS管驱动模块

MOS管驱动电路如图3所示。其中包括：由IR公司生产的驱动芯片IRS2004、充电（隔离）二极管D1、自举电容C2，下拉电阻R1，阻尼电阻R2，钳位二极管D2组成。

图3 MOS管驱动模块电路

输入信号PWM_IN接至74HC245D的B0管脚接收来自MCU的PWM脉冲控制信号，经内部电平移动电路、低边MOS管驱动增强电路，产生一组180°互补的驱动信号DRV_1和DRV_2，实现驱动MOS管Q1和Q2互补导通。PWM_SD为MOS管驱动的闭锁信号，低电平有效，与过流保护电路相连接，实现MOS管过流保护。

3.3 AD采样预处理模块

输出电压Vout的范围在0～30 V之间，并含有一定量的开关纹波，需要通过信号预处理电路进行信号缩放、滤波，才能送至MCU进行AD转换。预处理电路如图4所示。其中，R4、R7、C4组成一阶滤波器对输出电压中的直流成分缩放至0～3 V，对高频纹波进行旁路，并由R5、R3、运放U2A对C4两端电压放大2倍，经运放U2B进行驱动放大2倍，再次由R6、C3组成的一阶滤波电路送至MCU的P1.1引脚进行采样。

图4 AD采样预处理模块电路

3.4 STC8A8K64D4最小系统

最小系统模块如图5所示，由STC8A单片机、ADC基准芯片、电源滤波器件、串行下载接口组成。单片机的工作电压范围为2.7～5 V，内部ADC转换器的精度为12位。

图5 STC8A8K64D4最小系统模块电路

此处所采用的工作频率为40 MHz。设定PWM模块的PWMC寄存器为2048，PWM的输出频率为20 kHz。为防止变换器向最小系统的电源辐射高频干扰，通过在辅助供电模块供电端与AVCC引脚之间插入π型滤波结构，以增强主控的抗干扰能力。图5中ADC接口P1.1处采用开关型二级管D12、D13将输入电压限制在-0.6～5.5 V之间，防止AD预处理模块输出超过5.5 V电压而烧毁单片机接口。

3.5 电压模式单环PI控制算法

采用离散式PI单环控制算法[4-6]对输出电压进行闭环控制，实现稳压功能。控制算法通过PWM中断进行调用，每个PWM周期运行一次PI单环控制算法。离散系统的控制框图如图6所示。VREF(2048)为欲设定的电压值，反馈值为寄存器ADC_RES与ADC_RESL高二位组合的值；控制算法的输出赋值到PWM0T1寄存器。当PWM的计数值大于PWM0T1寄存器的值时，引脚P2.0输出为低电平，反之，输出为高电平。PWM中断的触发方式为归零触发，ADC的采样时刻设置为产生PWM中断的时刻，PI参数采用试凑法[7-8]在线调节确定。

图6 离散PI算法控制框图

4 实验验证

实验样机如图7所示。采用一个型号为220 V/20 V的变压器将市电转换为20 V的交流电，经滤波整流后输出直流电压为27 V，作为变换器的主电源，输出端接一个10Ω的可变电阻器。

图7 实验样机实物图

输出电压随负载变化的波形图如图8所示。输出电压调至11 V，输出端负载突增时，电压有所下降，但能够在5 ms内从振荡恢复到稳态；负载突减时，能够在10 ms以内恢复到稳态。STC8A8K64D4的这一运算速度，已能够满足数字电源的控制需求，也能够在较短的周期内完成PI控制算法，满足Zeta型升降压电源的闭环控制需求。

图8 输出电压随负载变化的波形图

5 结束语

采用STC8A单片机控制的Zeta升降压电路输出电压对负载的突变响应速度较快，仅次于高端的DSP控制器。负载突变前后的稳态误差较小，控制系统的功耗较低、抗干扰性能较好，对主电路的转换效率影响也较小，综合所有优点来看，STC8A系列单片机适合用于成本较低、具有中低功耗的数字电源控制器场合。