ATMEGA16实现开关电源制作 - 全文

　　开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。以ATMEGA16单片机为控制核心，设计并制作了具有输出电压步进可调的开关电源。其硬件由整流、滤波、单片机供电电源、DC-DC变换及LED显示组成。经实验测定，输出电压0~9.9V步进0.1 V可调，输出电流1.5 A,当输出电压9V、输出电流1.5 A时，电压调整率小于0.67%,效率可达78.78%.

　　1 电源硬件电路设计与计算

　　1.1 系统总体设计

　　系统组成框图如图1所示。市电经整流滤波电路输出直流，采用EMI共模滤波器抑制市电中的干扰;+5 V单片机供电电源由MC34063构成;系统输出电压经反馈电路送到单片机ATMEGA16的A/D口，单片机根据输出电压的变化，对DC-DC进行PWM控制，使输出电压趋于稳定;同时，系统的显示及键盘控制也由单片机ATMEGA16实现。

　　

 

　　图1 系统组成框图

　　1.2 整流滤波电路

　　整流、滤波电路主要是由整流变压器(30 W,18 V)、EMI滤波器、RS207整流桥(2 A)和滤波电容2 000 μF组成。EMI滤波器主要作用是滤除开关噪声和由输入线引入的谐波。滤波器中磁心上的绕组采用同向绕制，因流经绕组的交流电流是反相的，所以两股相反方向的电流在磁心内产生的交流磁通量相互抵消，从而达到抑制共模干扰的目的。

　　1.3 单片机供电电源

　　为提高电源的效率，利用芯片MC34063A外接简单元件构成降压电路，输出5 V电压为单片机ATMEGA16提供电源，电路如图2所示。

　　

 

　　图2 单片机供电电源电路

　　其中R1为限流电阻、C1为定时电容、C2为输出滤波电容、R2和R3为设定输出电压大小的电阻，计算公式如式(1)所示。Rst为限流电阻，当限流电阻的电压达到330 mV时，电流限制电路开始工作。计算公式如式(2)所示，其中IMax_out为最大输出电流。

　　

 

　　由以上两式可知，当输出电压5V时，Rst、R2和R3的取值分别为0.5 Ω、1.2 kΩ、3.6 kΩ。

　　1.4 键盘及显示电路

　　输入及显示电路采用4个按键，和用功能切换完成对输出电压的设定及显示切换。显示部分采用共阳极数码管动态显示，如图3所示。单片机ATMEGA16采用内部8 MHz晶振。

　　

 

　　图3 键盘及显示电路

　　1.5 DC-DC电路

　　DC-DC电路如图4所示。该模块为SR-Buck变换器，开关管采用MOSFET管IRF540.IRF540的最大漏极电流ID为33 A,导通电阻RDS(on)为44 mΩ，漏源击穿电压VDSS为100V.MOSFET是电压控制电流源，为了驱动MOSFET进入饱和区，需要在栅源极间加上足够的电压，以使漏极能流过预期的最大电流，因此采用三极管对IRF540进行驱动。主开关管Q6用NPN三极管Q5驱动，同步整流管Q9用PNP三极管Q10进行驱动。

　　

 

　　图4 DC-DC电路

　　滤波电路采用LC串联电路，由1个220μH的电感和2个并联的470 μF的ESR电容组成，0.1μF的陶瓷电容用于吸收输出端的高频分量。

　　1.6 输出电压采样电路

　　将50 kΩ电位器(电压采样电阻)的两端并在电源输出端(V0端与地端)，中间引脚接到单片机的ADC0脚。实现A/D对输出电压的采样，电路如图5所示。

　　

 

　　图5 输出电压采样电路

　　2 反馈程序设计

　　系统通过采集输出电压值，与设定输出电压值进行比较，根据偏差的大小和极性控制图4中PWM端信号的占空比，进而改变开关管的导通时间，实现电压闭环负反馈。为了避免由于频繁动作所引起的振荡，软件中应用了带死区的PID控制算法。

　　程序流程图如图6所示。通过A/D检测得到实际输出电压c(k)，将设定电压r(k)与实测电压c(k)比较，得本次偏差值e(k)。当|e(k)|≤ε(ε为死区偏差)时，不进行调节;当e(k)不在死区范围时即进行PID调节，计算公式如式(3)所示。

　　

 

　　图6 带死区的PID控制程度流程图

　　△P(k)=Pxe(k)-Ixe(k-1)+Dxe(k-2) (3)

　　式中：△P(k)为输出调整量，e(k)为本次偏差，e(k-1)为上次偏差，e(k-2)为上两次偏差，p、I、D分别为比例系数、积分系数、微分系数，经实验设定P、I、D分别取27、3、1.

　　3 电源功能测试结果

　　在设定输出电压分别为3 V、5 V和9 V时，经实验测定电源的性能指标参数如下：

　　1)输出电压0~9.9V可调，步进为0.1 V,输出电流可达1.5 A;

　　2)电压控制精度范围为3%~0.71%;

　　3)当输出电压9 V、输出电流1.5 A时，电源的效率为78.78%.

　　4)当输出电压从3 V到9 V变化时，负载调整率为2.7%~1.1%;

　　5)满载时，电压调整率小于0.67%;

　　6)纹波电压占输出电压的百分比0.73%~0.62%.

　　4 结论

　　由以上测试结果可知，电源输出电压由0~9.9 V步进可调，具有较高的精度和效率。若减小死区偏差ε的值，可以进一步提高电源的恒压特性及控制精度;当输出功率低时，因电源单片机控制及LED显示模块会消耗一定的功率，导致电源的效率降低，若采用液晶显示及PCB板布线，可望进一步提高电源效率和降低纹波干扰。