基于PWM波控制下的DC-DC開關電源系統(tǒng)設計

畢業(yè)設計（論文）題目基于PWM波控制下的DC-DC開關電源系統(tǒng)設計系（院）自動化系專業(yè)電氣工程與自動化班級2008級3班學生姓名學號指導教師職稱助教二〇一二年六月二十日獨創(chuàng)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計(論文)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名:二〇一一年月日畢業(yè)設計（論文）使用授權(quán)聲明本人完全了解濱州學院關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定。本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統(tǒng)，公布設計（論文）的部分或全部內(nèi)容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名:二〇一一年月日基于PWM波控制下的DC-DC開關電源系統(tǒng)設計摘要隨著電力電子技術的發(fā)展，電子設備的種類越來越多，電源在各個系統(tǒng)中的核心作用日趨明顯。另外，電子設備的小型化和低成本化促使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。基于這個思想設計了一款低功率易控制的開關穩(wěn)壓電源，以滿足小型電子設備的供電需要。系統(tǒng)的實現(xiàn)是基于PWM波控制下的DC-DC轉(zhuǎn)換原理。系統(tǒng)以單片機MSP430F169為控制核心，采用SG3525PWM脈寬控制器實現(xiàn)對Boost升壓斬波電路穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)硬件部分主要包括：整流濾波電路、Boost斬波電路、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、采樣電路、保護電路、單片機最小系統(tǒng)等。軟件包括：鍵盤控制模塊、A/D電壓和電流采集模塊、調(diào)整模塊、顯示模塊等幾個部分。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓輸出在30～36V范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流最大可達2A，電壓調(diào)整率小于3%，效率達83.7%。系統(tǒng)具有電壓鍵盤設定和輸出顯示功能，同時具有過壓、欠壓和過流保護功能。關鍵詞：開關電源，單片機MSP430，PWM控制芯片，DC-DC變換SwitchingPowerSupplyDesignAbstractAlongwiththedevelopmentofthepowerelectronictechnology,thekindsofelectronicequipmenthavebeenmoreandmore,powersupply’scoreroleineverysystemhasbecomeincreasinglyobvious.Inaddition,theminiaturizationandlowcostofelectronicequipmentturnpowertothedirectionoflight,thin,smallandhighefficient.Basedonthisidea,thedesignhasdesignedalow-powerandeasycontrolledswitchingpowersupplytomeetthepowersupplyneedsofsmall-scaleelectronicequipment.SystemimplementationisbasedontheDC-DCconversionprinciplewhichisunderthecontrolofPWMwaves.Systemtosingle-chipmicrocomputerMSP430F169asthecontrolcore,usingSG3525PWMpulse-widthcontrollertoachieveBoostchoppercircuit’outputvoltagestable.Systemhardwareincludes:rectifierfiltercircuit,Boostchoppercircuit,PWMwaveformgenerationandcontrolcircuit,samplingcircuit,protectioncircuits,thesingle-chipmicrocomputerminimizesystem.Softwareincludes:keyboardcontrolmodule,thevoltageandcurrentA/Dacquisitionmodule,adjustingmodule,displaymodule,andseveralotherparts.Systemcanrealizeoutputvoltageattherangeof30~36Vadjustable,outputcurrentisupto2A,Voltageadjustmentrateislessthan3%,efficiencyof83.7%.Systemhasthefunctionofvoltagekeyboardsettingsandoutputdisplay,butalsohasovervoltage,undervoltage,andovercurrentprotection.Keywords:switchingpowersupply,microcontrollerMSP430,PWMcontrolchip,DC-DCconversion目錄第一章緒論 11.1設計背景和研究目的 11.2設計的主要研究工作 11.3設計目標 2第二章系統(tǒng)總設計方案 3第三章系統(tǒng)硬件設計 43.1整流濾波電路 43.1.1二極管整流橋堆和濾波電容C1的選擇 43.1.2保護整流橋和減小沖擊電流的設計 53.2DC-DC變換器設計與器件選擇 53.2.1電路的工作原理 63.2.2器件的選擇 63.2.3減小開關轉(zhuǎn)換紋波電壓設計 83.3采樣電路 83.4PWM波形產(chǎn)生與控制電路 93.5驅(qū)動電路的設計 103.6保護電路設計與參數(shù)計算 123.6.1SG3525自帶保護 123.6.2保護電路的設計 123.6.3繼電器保護 133.7按鍵與顯示電路 143.7.1按鍵輸入模塊設計 143.7.2顯示模塊設計 143.8單片機最小系統(tǒng) 143.8.1電源 153.8.2復位電路 153.8.3晶振 153.8.4簡易仿真器JTAG下載線 15第四章系統(tǒng)軟件設計 174.1主程序流程圖設計 174.2各個子模塊流程圖設計 184.2.1鍵盤控制模塊 184.2.2電壓和電流采集模塊 194.2.3對輸出信號的調(diào)整模塊 194.2.4顯示模塊 204.3各個模塊的C語言程序編寫 214.3.1鍵盤程序 214.3.2電壓電流采樣程序 224.3.3對輸出電壓的調(diào)整程序 234.3.4顯示程序 24第五章結(jié)論 26參考文獻 27致謝 28附錄 29第一章緒論1.1設計背景和研究目的隨著電力電子技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，任何電子設備都離不開可靠的電源，他們要求電源提供長期穩(wěn)定的電壓,而市電電壓的不穩(wěn)定又使傳統(tǒng)電源難以實現(xiàn)輸出電壓長期穩(wěn)定的功能，開關穩(wěn)壓電源由于其輸出電壓長期穩(wěn)定而且具有高頻率、高功率密度、高效率、重量輕、節(jié)約能耗等優(yōu)點得到了廣泛應用。同時，隨著電子技術應用的迅速普及，對于電子儀器和設備的要求又有了新的內(nèi)容：在性能上，要更加安全可靠；在使用和操作上，自動化和智能化程度要越來越高；在體積和重量上，要日趨小型化和微型化；在功耗和電磁兼容上，要功率因數(shù)大和轉(zhuǎn)換效率高。這樣一來，就使得具有眾多優(yōu)點的開關穩(wěn)壓電源顯得更為重要了?；谶@個思想設計了一個低功率開關穩(wěn)壓電源，以滿足小型電子設備的供電需要。1.2設計的主要研究工作開關穩(wěn)壓電源相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源具有精度高，體積小，重量輕，效率高等優(yōu)點，從而逐漸取代線性電源，廣泛應用于計算機、汽車、現(xiàn)代化家電、儀表和通信等各個行業(yè)。隨著脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術的發(fā)展，PWM的控制方式愈來愈多地應用于開關控制器的設計。其特征是電路設計簡單，性能穩(wěn)定，控制型效率高，能夠很好的穩(wěn)定電壓幅值，同時，通過改變脈沖寬度占空比固定開關的頻率改善波形，具有良好的抑制輸出電壓紋波和噪聲功能。本設計就是一款基于SG3525PWM控制器的開關穩(wěn)壓電源。開關電源的工作原理就是通過改變開關器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓。220V交流電壓經(jīng)過降壓、整流、濾波后，得到18V的直流電壓，直流電壓經(jīng)Boost電路升壓再濾波得平滑的直流輸出。單片機根據(jù)采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓調(diào)整輸出信號，對SG3525進行控制生成PWM信號從而驅(qū)動功率開關管工作，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。同時本設計還采用MSP430單片機作為控制器，來實現(xiàn)對輸出電壓的設定調(diào)整和電壓電流的顯示，MSP430單片機內(nèi)部多個具有高、中、低速的時鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用而且可以工作于多種低功耗的模式，極大地降低了控制電路的功耗，提高整體率；430F169有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、直接存儲器訪問控制器（DMAC），使得整個電路不需要任何擴展就能完成對電源輸出電壓、電流的實時采集，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。系統(tǒng)的設計包括軟件和硬件兩部分。系統(tǒng)硬件部分主要包括：整流濾波電路、Boost斬波電路、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路、保護電路、鍵盤控制和顯示電路、單片機最小系統(tǒng)等。軟件采用C語言編程,整個程序包括的子模塊有：鍵盤控制模塊、A/D電壓和電流采集模塊、對輸出電壓的調(diào)整模塊、LED顯示模塊等幾個部分。1.3設計目標系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓在30~36V范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流最大可達2A，電壓調(diào)整率小于3%，效率達83.7%，輸出噪聲紋波電壓小于0.1V。通過鍵盤能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調(diào)整，并通過LED顯示器件顯示電流和電壓值，同時具有過壓、欠壓和過流保護功能，排除故障后，電路能自動恢復為正常狀態(tài)。第二章系統(tǒng)總設計方案本設計以單片機MSP430F169為控制核心，以SG3525為PWM信號產(chǎn)生與控制芯片制作開關穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)主要由隔離變壓器、整流濾波電路、DC-DC變換器、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、保護電路和電壓電流采樣電路、顯示電路等組成，系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。220V交流電壓經(jīng)降壓、整流、濾波得比較穩(wěn)定的18V直流電壓，直流電壓經(jīng)Boost電路升壓再濾波得平滑的直流輸出。單片機從鍵盤輸入設定信號，并根據(jù)采樣電壓對單片機輸出電壓進行調(diào)整，通過單片機的D/A轉(zhuǎn)換對SG3525進行控制生成PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關管MOSFET工作，并利用SG3525內(nèi)部的比較器實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。對輸出電壓與電流的采樣利用MSP430F169單片機的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，信號返回單片機后經(jīng)過處理在MSP430F169單片機的I/O口送給LED進行電流與電壓的顯示。當輸出電流大于保護設定值時產(chǎn)生過流保護信號，保護電路的比較器LM311輸出高電平，一方面封鎖PWM信號，使PWM不輸出，控制場效應管關閉；一方面過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路，等故障消除，比較器輸出低電平，電路自動恢復正常工作。圖2-1系統(tǒng)框圖第三章系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)的硬件部分主要包括：整流濾波電路、Boost斬波電路、PWM波形產(chǎn)生與控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路、保護電路、鍵盤與顯示電路、單片機最小系統(tǒng)等。各部分的設計如下所述。3.1整流濾波電路整流濾波電路是將輸入220V、50Hz的交流電壓變換成經(jīng)過濾波后有脈動的直流電壓。通常采用容性負載整流電路，如圖3-1所示。整流濾波之前先用隔離變壓器對220VAC進行降壓，產(chǎn)生18VAC。隔離變壓器的初級和次級分別是獨立繞組，可以去掉電網(wǎng)三次諧波和減少干擾信號進入穩(wěn)壓電源，同時防止非線性電源的電流畸變影響到交流電源的正常工作及對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，若負載不平衡，也不影響穩(wěn)壓電源的正常工作。圖3-1整流濾波電路本設計要求整流輸入電壓為AC，可由經(jīng)驗公式計算=(1.1~1.2)=(19.8~21.6)（3-1）由于該開關電源的最大輸出電流為2A，現(xiàn)設定整流輸出電流為I=2.5A。3.1.1二極管整流橋堆和濾波電容C1的選擇采用的二極管其最大的整流電流必須大于輸出電流的一半即，故選用1.5A的集成橋堆來作為整流器件。每個整流二極管的平均電阻近似為，隔離變壓器的內(nèi)阻包括次初級損耗和次級線阻，可以用經(jīng)驗公式計算：（3-2）故整流器的內(nèi)阻約為：（3-3）整流電路的負載（3-4）則（3-5）對于容性負載橋式整流電路，當，紋波電壓U較小時可以得到（3-6）因此濾波電容C1可以用如下的關系式估算：（3-7）選取，耐壓50V的電解電容即可。3.1.2保護整流橋和減小沖擊電流的設計保護整流橋設計：本設計中存在濾波電容，且其值較大，濾波電容越大，二極管的導通角越小，流過二極管的電流峰值就越大，其值很容易大于10A。因為整流橋的耐流能力為10A，所以很容易被燒毀。為解決這一問題，本設計在整流橋后面串入電感，因為電感有一定續(xù)流作用，而使二極管導通角變大，從而減小二極管電流峰值以保護整流橋。減小開機時沖擊電流設計：開機時整流橋后的濾波電容呈瞬時短路狀態(tài)，所以開機存在較大沖擊電流，為了減小沖擊電流對電路的損壞，本設計在整流橋前串聯(lián)負溫度系數(shù)熱敏電阻。原理是，開機時溫度較低而呈現(xiàn)很大電阻,所以開機電流不會很大，隨著電路接通，發(fā)熱電阻逐漸減小，所以正常工作時上電壓降很小，不會影響電路正常工作。3.2DC-DC變換器設計與器件選擇本系統(tǒng)改進的Boost升壓斬波電路如圖3-2所示。圖3-2Boost斬波電路3.2.1電路的工作原理功率開關V處于導通期間時，輸入電壓加到儲能電感兩端，充電電流基本恒定為。二極管截止，電容向負載R供電。因值很大，基本保持輸出電壓為恒值。流過電感上的電流為近似上升的鋸齒波電流，并以磁能的形式儲存在電感中。在此期間，儲能電感中積聚的能量為：（3-8）當功率開關管截止時，儲能電感兩端的電壓極性相反，此時二極管被正向偏置而導通，輸入電壓和存儲在儲能電感中的能量通過二極管傳輸給負載電阻R和濾波電容，儲能電感中的泄放電流是鋸齒波電流的線性下降部分。在此期間，釋放的能量為：（3-9）當電路達到動態(tài)平衡時，一個周期T中，在儲能電感中積聚的能量與釋放的能量相等，從而給負載電阻R提供一個穩(wěn)定的輸出電壓。于是得到：（3-10)電感儲能后使電壓泵升，同時電容使輸出電壓保持穩(wěn)定，從而得到輸出端電壓高于輸入端電壓。故稱該電路為升壓斬波電路。3.2.2器件的選擇（1）功率開關Q的選擇:由圖3-2可以看出，功率開關Q上所承受的最大電壓也就是功率開關Q截止時所承受的電壓，又從輸入電壓與輸出電壓間的關系得到：()（3-11）又考慮到輸入電壓有波動，儲能電感上的反峰尖刺電壓為穩(wěn)定值的，取其工作電壓為80%的額定電壓值，而且選擇功率開關Q時要留有一定的富余量，這樣就可以得到所要選擇的功率開關Q的漏極電壓額定值（3-12）本設計中為18V直流電壓，輸出電壓最大為36V，可以算得功率開關Q的額定電壓為40V。功率開關Q的額定電流（漏極直流電流）由經(jīng)驗公式得：（3-13）本設計要求最大輸出電流為2A，所以功率開關Q的額定電流選2.5A。（2）二極管D1的選擇：功率開關Q導通期間，二極管D1因反向偏置而截止，此時二極管D1所承受的電壓為輸出電壓，又考慮到的裕量，二極管D1反向耐壓應為：（3-14）二極管D1正向?qū)娏鳛椋海?-15）二極管D1正向?qū)üβ蕮p耗為：（3-16）為二級管的正向?qū)ü軌航担詰x擇具有非常低的正向?qū)ü軌航档男ぬ鼗O管。（3）輸入電感選取：整流輸出電壓的大小為18V，輸出電壓范圍為30~36V，由臨界電流公式（3-17）選擇為20kHz，當時，臨界電流有最大值（3-18）要使電感電流連續(xù)，則最小負載電流應大于，由此解得：（3-19）取為2mH。（4）輸出濾波電容的選?。河奢敵黾y波電壓：（3-20）負載電阻R取15，由此可計算濾波電容的大小，經(jīng)計算，此處取為4700。3.2.3減小開關轉(zhuǎn)換紋波電壓設計功率開關管從導通到截止或從截止到導通的轉(zhuǎn)換過程都需要一定的轉(zhuǎn)換時間，而且開關頻率高，由于二極管和電感的特性，會在輸出端形成所謂的開關轉(zhuǎn)換紋波電壓。尤其是關斷時，由于電路中有寄生電感，瞬間電流的切斷會在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓。本設計的解決辦法是對功率開關管加緩沖電路，改善關斷性能?；驹恚洪_關管Q關斷時，原電路一部分電流通過快恢復二極管D對電容C充電使開關管兩端電壓緩慢上升，電路中電流的減小速度也有所減緩，從而減小開關轉(zhuǎn)換紋波電壓，使輸出電壓更穩(wěn)定。3.3采樣電路采樣電路分為電壓采集與電流采集，采樣電路如圖3-3所示。其中P6.0、P6.1為MSP430芯片的采樣通道。P6.0為電壓采集，P6.1為電流采集。對經(jīng)過升壓斬波電路的直流電壓進行采集時，由于采集電壓比MSP430的內(nèi)部參考電壓大，故采集前需要通過一個分壓電路來分壓，使采集電壓控制在2.5V以內(nèi)。采集后通過一個算法，將采集信號乘以分壓電路的變比，得到實際要采集的電壓值。圖3-3采樣電路電壓采集：因為采樣信號要輸入單片機MSP430,其內(nèi)部采樣基準電壓為2.5V，因此要將輸入的采樣電壓限制在2.5V以內(nèi)，考慮到安全裕量，故將輸入電壓限制在2V以內(nèi)。當輸入電壓為36V時，采樣電壓為：（3-21）符合要求。電流采集：此過程采用康銅絲為元件。首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，又因為MSP430基準電壓為2.5V，故所需康銅絲需要自制。考慮以上原因，本設計選取康銅絲的阻值約為0.1。3.4PWM波形產(chǎn)生與控制電路本設計中PWM波形產(chǎn)生與控制電路選用SG3525芯片，SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高。另外SG3525內(nèi)置軟啟動電路，具有輸入欠電壓鎖定功能，PWM所鎖存功能等，是目前比較理想的新型控制器。電路原理圖如圖3-4所示。圖3-4SG3525PWM波形控制電路在PWM波形發(fā)生與控制電路中，其開關頻率為：（3-22）管腳2輸入的是電壓設定值，該值是MSP430單片機根據(jù)鍵盤設定值和采樣電壓進行調(diào)整后得到的，接單片機的P6.6引腳。管腳1與9相連接相當于該芯片的反饋補償網(wǎng)絡。8管腳接一個電容的作用是用來軟啟動，上電過程中，電容兩端的電壓不能突變，只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作，減少對功率開關管的沖擊。10腳接保護電路，如果電路過流，該引腳會接收到一個高電平，PWM鎖存器將立即動作，禁止SG3525輸出，軟起動電流將開始放電，直到關斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程。管腳11和14才用的是并聯(lián)單端輸出，其外部加一個推挽式的驅(qū)動電路，增強了電源的可靠性。3.5驅(qū)動電路的設計功率開關趨于關斷時的下降時間和趨于導通時的上升時間的快慢是決定功率開關損耗功率和開關穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換效率的主要因素。要縮短這兩個時間，除選擇高反應、高速度、大電流功率開關以外，還要改善加在功率開關基極的驅(qū)動信號。對驅(qū)動信號波形的要求是上升沿要陡，幅度要大，以便減小功率開關趨于導通時的上升時間；驅(qū)動信號要有一定的驅(qū)動功率；驅(qū)動信號波形的下降沿一定要陡，幅度要大，以便減小功率開關趨于截止時的下降時間。由SG3525產(chǎn)生的PWM控制信號需要經(jīng)過驅(qū)動電路才能用于控制MOSFET，基于以上要求，本系統(tǒng)中MOSFET的驅(qū)動選用專用驅(qū)動芯片IR2110，驅(qū)動電路如圖3-5所示。圖3-5驅(qū)動電路由于單片機、PWM波控制電路為弱電系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)的安全，需要與強電側(cè)隔離，防止強電側(cè)的電壓回流，燒壞單片機MSP430。本設計先用開關光耦進行光電隔離，再經(jīng)三極管到MOSFET的驅(qū)動電路IR2110。SG3525PWM波形控制電路產(chǎn)生的PWM波，經(jīng)過光耦及后面的IR2110芯片，在芯片的管腳1輸出的PWM波接到MOSFET的門極G端，使其工作。IR2101是專門用來驅(qū)動耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個具有14個管腳的芯片。IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10~20V，邏輯電源的輸入范圍（腳9）5~15V，門極提供的電壓范圍是10～20V，可方便的與TTL、CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有V的便移量；工作頻率高，可達500KHz，開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns，圖騰柱輸出峰值電流2A。IR2110的這些特點，可以為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。3.6保護電路設計與參數(shù)計算系統(tǒng)對保護電路的要求有：過流、過壓和欠壓等保護電路的控制關斷速度一定要快，只有這樣，才能夠做到既保護了負載系統(tǒng)，有保護了穩(wěn)壓電源電路本身免遭破壞。對于過流保護電路來說，當導致產(chǎn)生過流現(xiàn)象的故障被排除或過流現(xiàn)象恢復后，穩(wěn)壓電路要能夠自動恢復正常工作。過電流保護是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。當輸出電流大于保護設定值時產(chǎn)生過流保護信號，保護電路的比較器LM311輸出高電平，一方面封鎖PWM信號，使PWM不輸出，控制場效應管關閉；一方面過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路，等故障消除，比較器輸出低電平，電路自動恢復工作。本設計具有三級保護功能：SG3525PWM控制器自帶的輸入欠電壓保護、利用保護電路進行保護和利用繼電氣斷開主電路的保護。3.6.1SG3525自帶保護當SG3525輸入電壓低于8V時，控制器內(nèi)部電路鎖定，除基準電源和一些必要電路之外的所有電路停止工作，此時控制器消耗的電流極小。另外，無論因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM瑣存器才被復位。3.6.2保護電路的設計過流保護電路如圖3-6所示。圖3-6保護電路此過流保護電路中，電阻R17用來限流，通過比較器LM311對電流互感器采樣轉(zhuǎn)化的電壓進行比較，LM311的3腳接一10kΩ電位器來調(diào)比較基準電壓，輸出后接一100Ω的電阻R18限流，它與后面的220μF的電容C9形成保護時間控制。當電流過流時比較器輸出高電平產(chǎn)生保護，封鎖PWM信號，使PWM不輸出，控制場效應管關閉。3.6.3繼電器保護過流時保護電路的比較器LM311輸出高電平，過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路，等故障消除，比較器輸出低電平，電路自動恢復工作。根據(jù)本設計的要求選用繼電器的的型號為SSRYDH0610D，其輸入直流控制電壓3~32VDC，輸出負載電壓為5~60VDC。通常SSR均設計為常開狀態(tài)，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在本設計中需要常閉式的SSR，可在輸入端外接一組簡單的電路，如圖3-7所示，這時即為常閉式SSR。另外，為了防止輸入電壓超過額定值，需設置一限流電阻Rx。繼電器保護電路如圖3-7所示。圖3-7繼電器保護電路3.7按鍵與顯示電路3.7.1按鍵輸入模塊設計本設計要實現(xiàn)對輸出電壓的鍵盤設定和步進調(diào)整，需要4個按鍵，分別為S1：準備、S2：加1、S3：減1、S4：停止。因按鍵數(shù)量少，使用獨立按鍵式鍵盤。MSP430F169的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別與四個按鍵連線。其中上拉電阻保證了按鍵斷開時P2.0、P2.1、P2.2、P2.3有確定的高電平。P2口本身具有中斷能力，編寫軟件時，采用中斷方式。3.7.2顯示模塊設計本設計需要對輸出電壓、輸出電流進行顯示，精確到0.1，所以采用六位八段LED數(shù)碼管，前三位顯示電壓，后三位顯示電流，分別顯示電壓電流的十位、個位和小數(shù)位。采用動態(tài)掃描顯示方式，其中其中P5口通過LED顯示段碼驅(qū)動器74LS245驅(qū)動后控制字選、P4口通過LED顯示位碼驅(qū)動器ULN2003驅(qū)動后控制位選。3.8單片機最小系統(tǒng)本設計選用MSP430F169單片機，MSP430F169單片機是美國TI公司開發(fā)的MSP430FLASH系列中的一種，64引腳，具有60KB的Flash、2KBRAM，支持串行在線編程，10萬次擦寫。該單片機內(nèi)部具有高、中、低速多個時鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體率。工作電壓范圍：1.8~3.6V，16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期。單片機內(nèi)置3通道DMA，12位A/D帶采樣保持，雙12位D/A同步轉(zhuǎn)換。與其他單片機相比（如51單片機），MSP430有很大的Flash空間，所以在最小系統(tǒng)中我們不用外擴存儲器。MSP430F169的最小系統(tǒng)只有四部分：電源、復位電路、晶體及簡易仿真器JTAG下載線。各部分電路如圖3-8所示。3.8.1電源由于整個單片機系統(tǒng)采用5V和3.3V供電，又考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小的特點，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點，因此，硬件系統(tǒng)的電源先用LM7805穩(wěn)壓為5V給外圍模塊電路供電，再用SPX1117芯片穩(wěn)壓得到3.3V電壓，給CPU和3.3V外設供電。3.8.2復位電路一般簡單的復位電路可以采用RC復位，但是很不穩(wěn)定，可靠性不高，尤其在高速和龐大的系統(tǒng)中是根本不能采用的。在MSP430系統(tǒng)中，采用專門的復位芯片SP708S，該芯片可以提供可靠的復位，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。3.8.3晶振XIN1和XOUT1連接時鐘晶體低速晶體32kHZ，XIN2和XOUT2連接8MHz的高速晶體。3.8.4簡易仿真器JTAG下載線MSP430的程序下載方式支持串行在線編程、系統(tǒng)可編程ISP、JTAG下載等。硬件仿真可以采用JTAG下載線，現(xiàn)在市面上的很多仿真器，大部分都是通過JTAG進行仿真調(diào)試的。JTAG接口是一個14引腳的雙排插座，JTAG邊界掃描的主要信號為TDO、TDI、TMS、TCK和RST信號。圖3-8單片機最小系統(tǒng)第四章系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的功能有：1、通過比較輸入電壓值與測量所得的電壓值調(diào)整DA輸出，直到滿足要求，實現(xiàn)閉環(huán)控制；2、實現(xiàn)對輸出電壓、電流的實時采樣；3、基本鍵盤輸入功能和LED輸出顯示功能。MSP430F169單片機內(nèi)部具有高、中、低速多個時鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體率；MSP430F169有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、直接存儲器訪問控制器（DMAC），使得整個電路不需要任何擴展就能完成對電源輸出電壓、電流的實時采集，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。4.1主程序流程圖設計本設計的軟件采用C語言編寫，整個程序包括的子模塊有：鍵盤控制模塊、A/D電壓和電流采集模塊、對輸出信號的調(diào)整模塊、LED顯示模塊等幾個部分。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖系統(tǒng)初始化后，首先掃描鍵盤讀取鍵值，經(jīng)過DA輸出控制PWM波形發(fā)生與控制電路產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動功率開關管MOSFET工作。單片機進行輸出電壓電流的采集，當采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓差值小于0.1V時，單片機通過LED顯示電壓電流值；當采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓差值大于0.1V時，單片機調(diào)整DA輸出的直流電壓，控制PWM波做相應調(diào)整，從而實現(xiàn)輸出電壓向預設電壓逼近，使輸出電壓穩(wěn)定。在程序進行比較調(diào)整時，調(diào)整最多進行20次就顯示當前值，以免由于AD采樣精度等原因進入死循環(huán)。4.2各個子模塊流程圖設計4.2.1鍵盤控制模塊通過鍵盤可實現(xiàn)電壓參考值的設定和步進調(diào)整，步進值為1V。對鍵盤程序的編寫有查詢方式和中斷方式。采用查詢方式時MCU一直在查詢有沒有鍵被按下，不能做其他的事情，MCU采用此方法效率很低。為提高MCU的效率，且P2口本身具有中斷能力，所以本設計采用中斷方式實現(xiàn)鍵盤輸入。鍵盤流程圖如圖4-2所示。圖4-2按鍵流程圖4.2.2電壓和電流采集模塊通過MSP430單片機的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值和負載電流進行采集。采樣轉(zhuǎn)換流程圖如下。圖4-3電壓電流采樣轉(zhuǎn)換流程圖4.2.3對輸出信號的調(diào)整模塊單片機根據(jù)采樣所得電壓與鍵盤輸入電壓差值，對輸出信號進行調(diào)整，實現(xiàn)輸出電壓向預設電壓逼近，使輸出電壓穩(wěn)定。根據(jù)所學內(nèi)容及所查資料，采用PID或bang-bang算法能達到很好的效果，但采用bang-bang算法時，需要比較的次數(shù)比較多，可能由于AD采樣精度等原因進入死循環(huán)，故決定用PID算法，并為了保險起見，并為了節(jié)約比較時間，在程序進行比較時，調(diào)整最多進行20次就顯示當前值，這樣做的精度可以達到mv級。PID是按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為PID（Proportional-Integral-Differential）調(diào)節(jié)器。PID控制包括位置式PID、增量式PID。增量式算法不需做累加，計算誤差和計算精度問題對控制量的計算影響較小；位置式算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。根據(jù)分析選用增量式算法即可滿足要求，按照電壓偏差值就可以來調(diào)節(jié)PWM，進而使電壓輸出緊跟輸入。對輸出電壓信號的調(diào)整過程如流程圖4-4所示。圖4-4對輸出信號的調(diào)整流程圖4.2.4顯示模塊通過LED顯示電壓和電流的采集值。本設計采用六位8段LED數(shù)碼管，前三位顯示電壓，后三位顯示電流，分別顯示電壓、電流的十位、個位和小數(shù)位。采用動態(tài)掃描顯示方式，其中P5口通過LED顯示段碼驅(qū)動器74LS245驅(qū)動后控制字選、P4口通過LED顯示位碼驅(qū)動器ULN2003驅(qū)動后控制位選。LED顯示流程圖如圖4-5所示。圖4-5LED顯示流程圖4.3各個模塊的C語言程序編寫4.3.1鍵盤程序unsignedcharkeybuf；//鍵值緩存器unsignedcharplkeyj(void)//判鍵子程序{unsignedcharx;x=(P2IN&0X07);//P2.0,P2.2,P2.4,P2.6接按鍵return(x);//有按鍵返回，非0}unsignedcharkeycode()//找哪個按鍵被按下，查鍵值子程序{unsignedcharx;If((P1IN&0X07)==1)//是否第一個按鍵thenx=0;elseif((P1IN&0X07)==2)//是否第二個按鍵thenx=1;elseif((P1IN&0X07)==4)//是否第三個按鍵thenx=2;elseif((P1IN&0X07)==6)//是否第四個按鍵x=3;return(x);}interrupt[PORT1_VECTOR]voidportlkey(void)//端口1的中斷服務子程序{while(plkeyj()!=0){delay(500);//延時消除抖動while(plkeyj()!=0){keybuf=keycode();//確信有鍵按下，找按鍵得鍵值送keybufwhile(plkeyj()!==0);//等待按鍵松開}}}4.3.2電壓電流采樣程序ADC12序列通道單次轉(zhuǎn)換(軟件查詢式)staticunsignedintresults[2];voidmain(void){WDTCL=WDTPW+WDTHOLD;//停止WatchdogP6SEL=0x0F;//使能A/D通道ADC12CTL0=ADC12ON+MSC+SHT0_2;//ADC12控制寄存器設置ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_1;//轉(zhuǎn)換通道設置，模式為序列通道單次轉(zhuǎn)換ADC12MCTL0=INCH_0;//V+=Vref+,V-=AVss通道:A0ADC12MCTL1=INCH_1+EOS;//V+=Vref+,V-=AVss通道:A1最后序列ADC12IE=0x08;//使能中斷ADC12IFG.3ADC12CTL0|=ENC;//使能轉(zhuǎn)換_EINT();while(1){ADC12CTL0|=ADC12SC;//開始轉(zhuǎn)換_BIS_SR(LPM0_bits);//進入LMP0}}#pragmavector=ADC_VECTOR_interruptvoidADC12ISR(void){results[0]=ADC12MEM0;//存結(jié)果，清除IFGresults[1]=ADC12MEM1;_BIS_SR_IRQ(LPM0_bits);}4.3.3對輸出電壓的調(diào)整程序typedefstructPID//聲明PID實體{intSetVoltage;//設定目標電壓floatP;//比例常數(shù)floatI;//積分常數(shù)floatD;//微分常數(shù) intLastError;//Error[-1]intPrevError;//Error[-2]}PID;staticPIDsPID;staticPID*sptr=&sPID;voidPIDInit(void)//PID參數(shù)初始化{sptr->LastError=0;//Error[-1]sptr->P=0;//Error[-2]sptr->P=0;//比例常數(shù)sptr->I=0;//積分常數(shù)sptr->D=0;//微分常數(shù)sptr->SetVoltage=0;//目標電壓}intPID_adjust(intBackPoint,intSetVoltage)//增量式PID控制設計{intiError,iIncpid;//當前誤差iError=BackVoltage-sptr->SetVoltage;//增量計算返回-設定Error=sptr->P*iError//E[k]項-sptr->I*sptr->NextError;//E[k－1]項+sptr->D*sptr->LastError;//E[k－2]項sptr->LastError=sptr->NextError;//存儲誤差，用于下次計算sptr->NextError=iError;return(Error);//返回電壓增量值}4.3.4顯示程序unsignedchardispbuffer[6]={0,1,3,8,0xf,5};//顯示緩沖區(qū)unsignedcharseg[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,//顯示字符的段碼表0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,ox77,0x7c,0x39,0x79,0x5e,0x71,0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,0xf7,0xfc,0xb9,0xde,0xf9,0xf10x80,0x40,0x00,0x73,0xc0};voiddelay(intv){While(v!=0)v--//延時子程序}voiddisp(void){unsignedchari=0;unsignedchartemp=0x1;for(i=0;i<6;i++)//一共6位顯示器，循環(huán)六次{P4DIR=0xFF;//定義端口P4為輸出方向P5DIR=0xFF;//定義端口P5為輸出方向P4OUT=~temp;//送位選碼到P4口temp=temp<<1;//準備下一位數(shù)據(jù)的位選碼P5