開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。以ATMEGA16單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)并制作了具有輸出電壓步進(jìn)可調(diào)的開關(guān)電源。其硬件由整流、濾波、單片機(jī)供電電源、DC-DC變換及LED顯示組成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，輸出電壓0~9.9V步進(jìn)0.1V可調(diào)，輸出電流1.5A,當(dāng)輸出電壓9V、輸出電流1.5A時(shí)，電壓調(diào)整率小于0.67%,效率可達(dá)78.78%.

1電源硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。市電經(jīng)整流濾波電路輸出直流，采用EMI共模濾波器抑制市電中的干擾;+5V單片機(jī)供電電源由MC34063構(gòu)成;系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)反饋電路送到單片機(jī)ATMEGA16的A/D口，單片機(jī)根據(jù)輸出電壓的變化，對DC-DC進(jìn)行pWM控制，使輸出電壓趨于穩(wěn)定;同時(shí)，系統(tǒng)的顯示及鍵盤控制也由單片機(jī)ATMEGA16實(shí)現(xiàn)。

圖1系統(tǒng)組成框圖

1.2整流濾波電路

整流、濾波電路重要是由整流變壓器(30W,18V)、EMI濾波器、RS207整流橋(2A)和濾波電容2000μF組成。EMI濾波器重要用途是濾除開關(guān)噪聲和由輸入線引入的諧波。濾波器中磁心上的繞組采用同向繞制，因流經(jīng)繞組的交流電流是反相的，所以兩股相反方向的電流在磁心內(nèi)出現(xiàn)的交流磁通量相互抵消，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。

1.3單片機(jī)供電電源

為提高電源的效率，利用芯片MC34063A外接簡單元件構(gòu)成降壓電路，輸出5V電壓為單片機(jī)ATMEGA16供應(yīng)電源，電路如圖2所示。

圖2單片機(jī)供電電源電路

其中R1為限流電阻、C1為按時(shí)電容、C2為輸出濾波電容、R2和R3為設(shè)定輸出電壓大小的電阻，計(jì)算公式如式(1)所示。Rst為限流電阻，當(dāng)限流電阻的電壓達(dá)到330mV時(shí)，電流限制電路開始工作。計(jì)算公式如式(2)所示，其中IMax_out為最大輸出電流。

由以上兩式可知，當(dāng)輸出電壓5V時(shí)，Rst、R2和R3的取值分別為0.5Ω、1.2kΩ、3.6kΩ。

1.4鍵盤及顯示電路

輸入及顯示電路采用4個(gè)按鍵，和用功能切換完成對輸出電壓的設(shè)定及顯示切換。顯示部分采用共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示，如圖3所示。單片機(jī)ATMEGA16采用內(nèi)部8MHz晶振。

圖3鍵盤及顯示電路

1.5DC-DC電路

DC-DC電路如圖4所示。該模塊為SR-Buck變換器，開關(guān)管采用MOSFET管IRF540.IRF540的最大漏極電流ID為33A,導(dǎo)通電阻RDS(on)為44mΩ，漏源擊穿電壓VDSS為100V.MOSFET是電壓控制電流源，為了驅(qū)動MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，要在柵源極間加上足夠的電壓，以使漏極能流過預(yù)期的最大電流，因此采用三極管對IRF540進(jìn)行驅(qū)動。主開關(guān)管Q6用NpN三極管Q5驅(qū)動，同步整流管Q9用pNp三極管Q10進(jìn)行驅(qū)動。

圖4DC-DC電路

濾波電路采用LC串聯(lián)電路，由1個(gè)220μH的電感和2個(gè)并聯(lián)的470μF的ESR電容組成，0.1μF的陶瓷電容用于吸收輸出端的高頻分量。

1.6輸出電壓采樣電路

將50kΩ電位器(電壓采樣電阻)的兩端并在電源輸出端(V0端與地端)，中間引腳接到單片機(jī)的ADC0腳。實(shí)現(xiàn)A/D對輸出電壓的采樣，電路如圖5所示。

圖5輸出電壓采樣電路

2反饋程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過采集輸出電壓值，與設(shè)定輸出電壓值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小和極性控制圖4中pWM端信號的占空比，進(jìn)而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)負(fù)反饋。為了防止由于頻繁動作所引起的振蕩，軟件中應(yīng)用了帶死區(qū)的pID控制算法。

程序流程圖如圖6所示。通過A/D檢測得到實(shí)際輸出電壓c(k)，將設(shè)定電壓r(k)與實(shí)測電壓c(k)比較，得本次偏差值e(k)。當(dāng)|e(k)|≤ε(ε為死區(qū)偏差)時(shí)，不進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)e(k)不在死區(qū)范圍時(shí)即進(jìn)行pID調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如式(3)所示。

圖6帶死區(qū)的pID控制程度流程圖

△p(k)=pxe(k)-Ixe(k-1)+Dxe(k-2)(3)

式中：△p(k)為輸出調(diào)整量，e(k)為本次偏差，e(k-1)為上次偏差，e(k-2)為上兩次偏差，p、I、D分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定p、I、D分別取27、3、1.

3電源功能測試結(jié)果

在設(shè)定輸出電壓分別為3V、5V和9V時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定電源的性能指標(biāo)參數(shù)如下：

1)輸出電壓0~9.9V可調(diào)，步進(jìn)為0.1V,輸出電流可達(dá)1.5A;

2)電壓控制精度范圍為3%~0.71%;

3)當(dāng)輸出電壓9V、輸出電流1.5A時(shí)，電源的效率為78.78%.

4)當(dāng)輸出電壓從3V到9V變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為2.7%~1.1%;

5)滿載時(shí)，電壓調(diào)整率小于0.67%;

6)紋波電壓占輸出電壓的百分比0.73%~0.62%.

4結(jié)論

由以上測試結(jié)果可知，電源輸出電壓由0~9.9V步進(jìn)可調(diào)，具有較高的精度和效率。若減小死區(qū)偏差ε的值，可以進(jìn)一步提高電源的恒壓特性及控制精度;當(dāng)輸出功率低時(shí)，因電源單片機(jī)控制及LED顯示模塊會消耗一定的功率，導(dǎo)致電源的效率降低，若采用液晶顯示及pCB板布線，可望進(jìn)一步提高電源效率和降低紋波干擾。