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基于ATMEGA 16的開關電源設計與制作

鉅大LARGE  |  點擊量:814次  |  2020年05月15日  

開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源。開關穩壓電源具有效率高、穩壓性能好、保護措施完善等優點,由于控制信號一般通過精密穩壓器TL4331、光耦等獲得,使輸出電壓很難做到寬范圍內調節。特別是不能輸出低電壓(<3V)。將ATMEGA16單片機應用于電源的控制,可以提高開關電源的輸出電壓控制精度,同時利用ATMEGA16的計算功能,通過軟件編程,采用反饋控制使得電壓輸出趨于恒定。1電源硬件電路設計與計算1.1系統總體設計


系統組成框圖如圖1所示。市電經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單片機供電電源由MC34063構成;系統輸出電壓經反饋電路送到單片機ATMEGA16的A/D口,單片機根據輸出電壓的變化,對DC-DC進行pWM控制,使輸出電壓趨于穩定;同時,系統的顯示及鍵盤控制也由單片機ATMEGA16實現。


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出現的交流磁通量相互抵消,從而達到抑制共模干擾的目的。


1.3單片機供電電源


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


其中R1為限流電阻、C1為按時電容、C2為輸出濾波電容、R2和R3為設定輸出電壓大小的電阻,計算公式如式(1)所示。Rst為限流電阻,當限流電阻的電壓達到330mV時,電流限制電路開始工作。計算公式如式(2)所示,其中IMax_out為最大輸出電流。由以上兩式可知,當輸出電壓5V時,Rst、R2和R3的取值分別為0.5Ω、1.2kΩ、3.6kΩ。[page]


1.4鍵盤及顯示電路


輸入及顯示電路采用4個按鍵,和用功能切換完成對輸出電壓的設定及顯示切換。顯示部分采用共陽極數碼管動態顯示,如圖3所示。單片機ATMEGA16采用內部8MHz晶振。


1.5DC-DC電路


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


濾波電路采用LC串聯電路,由1個220μH的電感和2個并聯的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。


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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的ADC0腳。實現A/D對輸出電壓的采樣,電路如圖5所示。


2反饋程序設計


系統通過采集輸出電壓值,與設定輸出電壓值進行比較,根據偏差的大小和極性控制圖4中pWM端信號的占空比,進而改變開關管的導通時間,實現電壓閉環負反饋。為了防止由于頻繁動作所引起的振蕩,軟件中應用了帶死區的pID控制算法。


程序流程圖如圖6所示。通過A/D檢測得到實際輸出電壓c(k),將設定電壓r(k)與實測電壓c(k)比較,得本次偏差值e(k)。當|e(k)|≤ε(ε為死區偏差)時,不進行調節;當e(k)不在死區范圍時即進行pID調節,計算公式如式(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、積分系數、微分系數,經實驗設定p、I、D分別取27、3、1。3電源功能測試結果


在設定輸出電壓分別為3V、5V和9V時,經實驗測定電源的性能指標參數如下:


1)輸出電壓0~9.9V可調,步進為0.1V,輸出電流可達1.5A;2)電壓控制精度范圍為3%~0.71%;3)當輸出電壓9V、輸出電流1.5A時,電源的效率為78.78%。4)當輸出電壓從3V到9V變化時,負載調整率為2.7%~1.1%;5)滿載時,電壓調整率小于0.67%;6)紋波電壓占輸出電壓的百分比0.73%~0.62%。4結論


由以上測試結果可知,電源輸出電壓由0~9.9V步進可調,具有較高的精度和效率。若減小死區偏差ε的值,可以進一步提高電源的恒壓特性及控制精度;當輸出功率低時,因電源單片機控制及LED顯示模塊會消耗一定的功率,導致電源的效率降低,若采用液晶顯示及pCB板布線,可望進一步提高電源效率和降低紋波干擾。


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