基于ATMEGA 16的開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作

摘要：電源廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備及電子電路中。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)0．1 V可調(diào)，輸出電流1．5 A，當(dāng)輸出電壓9V、輸出電流1．5 A時(shí)，電壓調(diào)整率小于0．67％，效率可達(dá)78．78％。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；單片機(jī)；步進(jìn)；反饋控制

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。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、穩(wěn)壓性能好、保護(hù)措施完善等優(yōu)點(diǎn)，由于控制信號(hào)一般通過精密穩(wěn)壓器TL4331、光耦等獲得，使輸出電壓很難做到寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。特別是不能輸出低電壓(<3 V)。將ATMEGA16單片機(jī)應(yīng)用于電源的控制，可以提高開關(guān)電源的輸出電壓控制精度，同時(shí)利用ATMEGA16的計(jì)算功能，通過軟件編程，采用反饋控制使得電壓輸出趨于恒定。

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；+5 V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(duì)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)。

1．2 整流濾波電路
整流、濾波電路主要是由整流變壓器(30 W，18 V)、EMI濾波器、RS207整流橋(2 A)和濾波電容2 000 μF組成。EMI濾波器主要作用是濾除開關(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)產(chǎn)生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5 V電壓為單片機(jī)ATMEGA16提供電源，電路如圖2所示。

其中R1為限流電阻、C1為定時(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330 mV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0.5 Ω、1．2 kΩ、3．6 kΩ。[!--empirenews.page--]
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(duì)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(dòng)態(tài)顯示，如圖3所示。單片機(jī)ATMEGA16采用內(nèi)部8 MHz晶振。

1．5 DC-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33 A，導(dǎo)通電阻RDS(on)為44 mΩ，漏源擊穿電壓VDSS為100V。MOSFET是電壓控制電流源，為了驅(qū)動(dòng)MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，需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(duì)IRF540進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主開關(guān)管Q6用NPN三極管Q5驅(qū)動(dòng)，同步整流管Q9用PNP三極管Q10進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

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470 μF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。[!--empirenews.page--]
1．6 輸出電壓采樣電路
將50 kΩ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(duì)輸出電壓的采樣，電路如圖5所示。

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(hào)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。為了避免由于頻繁動(dòng)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。
△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3 V、5 V和9 V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0．1 V，輸出電流可達(dá)1．5 A；
2)電壓控制精度范圍為3％～0．71％；
3)當(dāng)輸出電壓9 V、輸出電流1．5 A時(shí)，電源的效率為78．78％。
4)當(dāng)輸出電壓從3 V到9 V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0～9．9 V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(huì)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。