基于STC12 C5410AD單片機(jī)的數(shù)字電源設(shè)計(jì)

引言

數(shù)字電源目前主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、存儲、服務(wù)器等性能和智能化要求較高的領(lǐng)域。在美國TI公司等半導(dǎo)體企業(yè)的推動下，數(shù)字電源技術(shù)有了快速發(fā)展。

業(yè)界都比較認(rèn)同TI公司對數(shù)字電源所下的定義：

數(shù)字電源就是數(shù)字化控制的電源產(chǎn)品，它能提供配置、監(jiān)控和管理功能，并延伸到對整個(gè)回路的控制。

數(shù)字電源具有以下特點(diǎn)：數(shù)字化控制的電源轉(zhuǎn)換，以MCU(微控制器)或DSP(數(shù)字信號處理器)為核心，它能實(shí)現(xiàn)PWM(脈寬調(diào)制)穩(wěn)壓回路控制、軟件啟動等功能;數(shù)字電源管理，對電壓和電流等電源輸出進(jìn)行配置的功能;采用整合數(shù)字電源(fusion digital power)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合，例如，功率級所用的模擬組件——MOsFET驅(qū)動器，可以方便地與數(shù)字電源控制器相連并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù);能達(dá)到很高的技術(shù)指標(biāo)，例如，其PWM分辨力可達(dá)150 ps(10 S～12 S)水平，這是傳統(tǒng)開關(guān)電源所望塵莫及的;大量的電源管理和一些電源控制功能是通過PMBus(電源管理總線)實(shí)現(xiàn)的，PMBus是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議，該協(xié)議是2004年10月由2家世界領(lǐng)先的電源公司Artesyn Technologies和AstecPower，以及6家世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)共同建立。

1 數(shù)字電源的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字電源屬于開關(guān)電源類產(chǎn)品，其主要的性能指標(biāo)有：紋波與噪聲、電源轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓穩(wěn)定度、保護(hù)與安全特性。性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的高低直接影響數(shù)字電源產(chǎn)品的品質(zhì)好壞。本文重點(diǎn)介紹數(shù)字電源的系統(tǒng)組成、PWM穩(wěn)壓回路和電源濾波電路的設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)組成

數(shù)字電源有MCU控制和DSP控制兩種解決方案。本數(shù)字電源系統(tǒng)采用MCU控制方案，整個(gè)系統(tǒng)由主控制器、PWM穩(wěn)壓回路、電流電壓取樣電路、鍵盤顯示電路、電源濾波電路等組成，其系統(tǒng)的框圖見圖1。數(shù)字電源的主控制器是深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)、具有A/D 轉(zhuǎn)換和PWM 功能、高速/低功耗STC12C5410AD型單片機(jī)，其內(nèi)部配有10 kB程序存儲器和512 B的RAM。電流電壓的取樣信號反饋到單片機(jī)的A/D輸入端，經(jīng)數(shù)字信號處理分析，單片機(jī)輸出PWM信號，控制PWM穩(wěn)壓回路的功率開關(guān)管的導(dǎo)通或截止，經(jīng)功率電感的充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

用戶不僅能從顯示器上觀察到當(dāng)前的電源參數(shù)，還可通過鍵盤隨時(shí)修改電源參數(shù)。單片機(jī)通用串行口實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與數(shù)字電源之間通信。

1.2 PWM 穩(wěn)壓回路設(shè)計(jì)

考慮到功率MOSFET的諸多優(yōu)點(diǎn)，PWM穩(wěn)壓回路中的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件用MOSFET取代晶體管。

PWM穩(wěn)壓回路如圖2所示。

MOSFET驅(qū)動電路是由R1、R2、R3、C2、V1和V2組成，MOSFET管的開關(guān)頻率可以很高，所需驅(qū)動功率很小，容易驅(qū)動，是高頻小功率變換器的理想功率器件。MOSFET管的輸入阻抗很高，其導(dǎo)通和關(guān)斷就相當(dāng)于輸入電容充放電過程。

MOSFET過高的輸入電容C 對7}=父轉(zhuǎn)換速度起很甭要的作用，降低C 影響，足MOSFET驅(qū)動電路改計(jì)的承點(diǎn)。

MOSFET的等效輸入電容為：

1.3 電源濾波電路設(shè)計(jì)

電源要求輸出盡量小的紋波及噪聲，濾波電容在開關(guān)電源中對抑制電源的紋波及噪聲起著非常露要的作用，選擇品質(zhì)優(yōu)良、ESR(低等效串聯(lián)電阻)的電容是提高濾波效果的關(guān)鍵。

根據(jù)開關(guān)電源盼沒計(jì)理論，以降壓BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)穩(wěn)壓器為例，開關(guān)電源的紋波電壓AV為：

式中，f。 為MOSFET的導(dǎo)通時(shí)問;R 為ESR值。

從輸出紋波電壓△ .的表達(dá)式導(dǎo)出，在給定的條件下，針對一個(gè)所期望的頻率范圍來選擇和R ，選擇比較合適的電感值后，決定輸出電壓紋波大小的主要因素是輸出電容的R 。

因低R 電容(如鉭電容和日本三洋OSCON電容)成本較高，所以，本電源系統(tǒng)降低輸出電容R嘞的方法是：在保持輸出電容總?cè)萘坎蛔兊那疤嵯拢言瓉淼囊粋€(gè)電容拆分成幾個(gè)電容的并聯(lián)，這樣，隨著電容容量的減少其 EsR相應(yīng)減少，幾個(gè)電容并聯(lián)后，總的尺是單個(gè)電容的幾分之一;如果選用電容的耐壓值適當(dāng)提高，單個(gè)電容的 可進(jìn)一步降低，這是因?yàn)橥萘康碾娙荩蛪禾岣咂?咖變小。采用以上設(shè)計(jì)方法后，輸出電容的 大幅度下降，輸出電壓紋波明顯減小。

電源濾波電路見圖3，符合設(shè)計(jì)要求。

2 數(shù)字電源的軟件設(shè)計(jì)

編制軟件一方面必須與已建立的硬件電路密切配合，另一方面要滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)軟件采用編編與c語言混合編程實(shí)現(xiàn)，主要包括單片機(jī)控制軟件及上位機(jī)界面和通信軟件。程序流程圖見圖4。[!--empirenews.page--]

根據(jù)計(jì)算機(jī)或鍵盤輸入的設(shè)置命令信號和取樣信 ，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理后，輸出PWM信號。

通過鍵盤隨時(shí)修改電源參數(shù)，可以從顯示器上觀察到當(dāng)前的有關(guān)數(shù)據(jù)。在過流與過壓的情況下，關(guān)閉PWM并進(jìn)行聲光報(bào)警。

3 實(shí)際測試結(jié)果及分析

3.1 功率管的驅(qū)動狀態(tài)對開關(guān)特性的影響

數(shù)字電源在輸入電壓為24 V、輸出為12 V/3 A的情況下進(jìn)行測試。峰值柵極驅(qū)動電流， 。在過驅(qū)動和欠驅(qū)動兩種狀態(tài)下的功率開關(guān)管輸出波形見圖5。從圖5(b)可知，由于功率MOSFET欠驅(qū)動，上升時(shí)間t變得很長，開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中能耗大大增加，隨之電源的效率和負(fù)載能力下降，此時(shí)電源只能驅(qū)動一半的負(fù)載。

如果選用的功率MOSFET輸入電容c 和導(dǎo)通電阻足夠小，在功率MOSFET柵極過驅(qū)動條件下，功率開關(guān)管輸出波形可達(dá)到圖5(a)的理想效果，t 變得很短，開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中能耗大大降低，電源效率和負(fù)載能力明顯提高，很好地滿足了電路設(shè)計(jì)要求。

3.2 電源濾波電路對電源紋波抑制的作用

用單電解電容(2 200 IxF/35 V)濾波和圖3電路濾波，其實(shí)測波形見圖6。可見，單電容電源紋波約為80 mV(p-p)，改進(jìn)后實(shí)際應(yīng)用電路的紋波約為35 mV(p-p)，對電源的紋波抑制起到了很大的作用。

4 結(jié)語

本文介紹基于STC12C5410AD型單片機(jī)的數(shù)字電源設(shè)計(jì)方案。實(shí)際測試表明，用帶PWM和A/D轉(zhuǎn)換功能的通用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源的設(shè)計(jì)是可行的，其性能達(dá)到相當(dāng)高水平，此方法具有推廣應(yīng)用價(jià)值。