【正文】 ............................................................ 32 參考文獻 ...................................................................................................... 33 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 1 前言 MSP430 系列單片機是美國 TI 公司生產(chǎn)的新一代 16 位單片機，是一種超低功耗的混合信號處理器（ MixedSignal Processor），它具有低電壓、超低功耗、強大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內外設、方便開發(fā)等優(yōu)點，具有很高的性價比，在工程控制等領域有著極其廣泛的應用范圍。該系統(tǒng)的軟件是在 IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境采用 C 語言編寫，主要包括 12 高精度 A/D 采集、 PWM 驅動電路、過流保護等模塊的實際，同時具有鍵盤設定、液晶顯示實時等功能。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器和隔離之用，濾波器的體積和重量也很大。畢業(yè)論文 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓 電源的設計 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 I 摘要 隨著電子技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，對電源的要求更加靈活多樣。并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等特點。 介紹基于 MSP430 單片機的開關穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)結構和總體設計方案，該設計硬件電路有 整流濾波電路、升壓斬波電路、 PWM 驅動電路及保護電路組成。 PWM。 通過此次系統(tǒng)設計，不僅深刻理解了電力電子技術這門課的學習任務和目標，而且達到了理論和實際相結合的效果，更重要的是該系統(tǒng)還可以進一步完善 。逆變器，它是把直流轉變?yōu)榻涣鞯难b置。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。 圖 調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理 對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。這樣，只要我們設法 使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達 到穩(wěn)定電壓的目的。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路。 體積小，重量輕 從開關穩(wěn)壓 電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。開關穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在 50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000 倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了 1000 倍。 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 6 1． 5 開關穩(wěn)壓電源的缺點 開關穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的 模擬電路 、 數(shù)字電路 模塊和 微處理器 集成在一個芯片上，以提供 “ 單片 ” 解決方案。 EPROM 型的價格昂貴，運行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機開發(fā)。 這個時期 的 MSP430 已經(jīng)顯露出了它的特低功耗等的一系列技基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 8 術特點，但也有不盡如人意之處。而片內高精度 A/D 轉換器又只有 32x 系列才有。 F43x、 F44x系列是在 13x、 14x 的基礎上，增加了液晶驅動器，將驅動 LCD 的段數(shù)由 3xx系列的最多 120段增加到 160段。 這種以 Flash 技術與 FET 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。 TI公司在 2020年底和 2020年期間又陸續(xù)推出了 F15x和 F16x系列的產(chǎn)品。 MSP430單片機的特點 處理能力強 MSP430系列單片機是一個 16位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC）結構，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 9 簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時鐘系統(tǒng)和 DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。 由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。它們分別是看門狗（ WDT、模擬比較器 A、定時器 A0（ Timer_A0）、定時基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 10 器 A1（ Timer_A1）、定時器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、 10位 /12 位 ADC、 16 位 Σ Δ ADC 、 DMA、I/O端口、基本定時器（ Basic Timer）、實時時鐘（ RTC）和 USB 控制器等 若干外圍模塊的不同組合。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需 5μs 。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。系統(tǒng)主要由整流濾波、DCDC 變換器、控制系統(tǒng)、顯示等電路組成。 該方案的缺點： 1 控制軟件編程工作量大、難度大； 2 所有的控制都由單片機來實現(xiàn)，對單片機得硬件資源要求很高； 3 該設計要求對 DCDC 變換器實現(xiàn) PWM 控制的開關頻率至少要為 100KHz，這些單片機難于實現(xiàn)的； 方 案二： 單片機和脈寬調制型控制 器共同實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。這里使用 MSP430 完成電壓反饋的 PI 調節(jié)； PWM 波產(chǎn)生，基準電壓設定；電壓電流顯示；過電流保護等。 DCDC轉換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構成。 2: PWM（脈沖寬度調制） 開關脈沖的頻率一定，通過改變脈沖輸出寬度，使輸出電壓達到穩(wěn)定。 （ 1）小負載時，效率較高。若在負載不是很大的情況下，選用 58%的占空比，效率會較高 . 用 MOSFET 替換 BJT 晶體管作為外圍電路的開關部件對效率的影響。 DCDC轉換器（開關調整器）的尖峰噪音。但其效率不高，在以高效恒流的設計背景下明顯不可取。 本設計 選擇了 Boost 變換器。 PWM 的設計 PWM 的產(chǎn)生方式及論證 方案一：有單片機直接產(chǎn)生 MSP430 單片機直接輸出可調 PWM 波，雖然應用簡單，但是其輸出脈寬最小天劫范圍最大，不利于控制，而且編程工作量大，難度高。 PWM 驅動電路的設計 電力 MOSFET 驅動 功率小，采用三極管驅動即可滿足要求，驅動電路如圖 4 所示。門極提供的電壓范圍是 10～ 20 V。因此即使是比較 小的電阻，通過 2A電流時功率也會大大超過普通電阻的額定功率電阻將被燒斷。導致電阻溫度急劇上升，將產(chǎn)生很大的測量誤差。另一個方面， 1? 的康錳銅電阻絲約長 1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進一步的減小溫度漂移帶來的影響。其中， 為 MSP430 芯片的采樣通 道， 為電壓采集， 為電流采集?？紤]以上方面在康銅絲阻值選取上約為 Ω 。如圖 5 所示： S10 5 0 0R 1 1R E S 2R 1 0R E S 2D5D I O D EQN P ND P D TP N PR?R E S 4R 1 2R E S 2M S P 4 3 0 的 I / 0 控制 圖 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 21 4 軟件設計 開 關電路核心電路 （見 圖 ）。 若取 f=100kHz,Iomin=，則可計算出 Lmin 的取值可為 。鍵盤上沒有按鍵閉合時，所有行線 輸入全為高電平。 LCD 時序控制圖如下圖所示 開始 準備列掃描的初值“ 1110 鍵值初始為“ 0“ 送入掃描值 =0? =0? =0? =0? 調整列掃描值 返回鍵值 Y Y Y Y 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 27 （ 1）八位并口寫操作時序圖 圖 LCD寫操作時序圖 （ 2）八位并口讀操作時序圖 圖 LCD 讀操作時序圖 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 28 圖 液晶屏模塊與單片機相連 AD電壓和電流采集模塊：通過 MSP430 單片機的 12位 A／ D轉換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值和負載電流進行采集。 VCC ． ． ． ． ． . VCC E R/W RS LCD DB0 12864 DB2． ． ． ． ． DB7 接口電路 接口電路 接口電路 接口電路 接口電路 接口電路 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 29 本設計的軟件采用 C 語言編寫，整個程序包括的子模塊有：鍵盤控制模塊、 A／ D電壓和電流采集模塊、 PI 控制模塊和 PWM 波發(fā)生模塊等幾個部分，軟件流程圖如圖 6所示。而能否對紋波電壓限制，主要在于整流濾波電路中電容，因此高耐壓的支撐電解電容的選取是重要的。在大電流 情況下每增加一個元件就會帶來一份可觀的功耗 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 32 致謝 感謝百度和 Google 公司。是它們讓我們很方便地搜索到了我們所需要的 “ 論文材料 ” ，國內的、國外的，中文的、外文的。 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 33 參考文獻 1. 帳占松 .開關電源的原理與設計 .電子工業(yè)出版社 .. 2. 曲學基等 .新編高頻開過穩(wěn)壓電源 .電子工業(yè)出版社。 設計 [M].北京：科學出版社， 2020： 3969. ，楊興洲．新穎開關穩(wěn)壓電源 [M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999:152157. .一種基于 PWM 的半橋型開關電源 [J].沙洲職業(yè)工學院學報 ,2020,第六卷： 1618. 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 34