【正文】 ............................................................ 32 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................... 33 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 1 前言 MSP430 系列單片機(jī)是美國 TI 公司生產(chǎn)的新一代 16 位單片機(jī)，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(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)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(qū)動(dòng)電路、過流保護(hù)等模塊的實(shí)際，同時(shí)具有鍵盤設(shè)定、液晶顯示實(shí)時(shí)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(guān)穩(wěn)壓 電源的設(shè)計(jì) 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) I 摘要 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)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(diǎn)。 介紹基于 MSP430 單片機(jī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)硬件電路有 整流濾波電路、升壓斬波電路、 PWM 驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路組成。 PWM。 通過此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅深刻理解了電力電子技術(shù)這門課的學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)，而且達(dá)到了理論和實(shí)際相結(jié)合的效果，更重要的是該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步完善 。逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)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(diào)寬式開關(guān)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(shè)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(dá) 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(guān)電源用集成電路。 體積小，重量輕 從開關(guān)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(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 6 1． 5 開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn) 開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)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(gè)芯片上，以提供 “ 單片 ” 解決方案。 EPROM 型的價(jià)格昂貴，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機(jī)開發(fā)。 這個(gè)時(shí)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(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 8 術(shù)特點(diǎn)，但也有不盡如人意之處。而片內(nèi)高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器又只有 32x 系列才有。 F43x、 F44x系列是在 13x、 14x 的基礎(chǔ)上，增加了液晶驅(qū)動(dòng)器，將驅(qū)動(dòng) 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(shù)與 FET 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一個(gè)較為理想的樣機(jī)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(jī)的特點(diǎn) 處理能力強(qiáng) MSP430系列單片機(jī)是一個(gè) 16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，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(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 9 簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。 超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和 DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。 由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(shí)器 A0（ Timer_A0）、定時(shí)基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 10 器 A1（ Timer_A1）、定時(shí)器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10位 /12 位 ADC、 16 位 Σ Δ ADC 、 DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（ Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）和 USB 控制器等 若干外圍模塊的不同組合。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，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(diǎn)： 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(jī)來實(shí)現(xiàn)，對單片機(jī)得硬件資源要求很高； 3 該設(shè)計(jì)要求對 DCDC 變換器實(shí)現(xiàn) PWM 控制的開關(guān)頻率至少要為 100KHz，這些單片機(jī)難于實(shí)現(xiàn)的； 方 案二： 單片機(jī)和脈寬調(diào)制型控制 器共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。這里使用 MSP430 完成電壓反饋的 PI 調(diào)節(jié)； PWM 波產(chǎn)生，基準(zhǔn)電壓設(shè)定；電壓電流顯示；過電流保護(hù)等。 DCDC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構(gòu)成。 2: PWM（脈沖寬度調(diào)制） 開關(guān)脈沖的頻率一定，通過改變脈沖輸出寬度，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。 （ 1）小負(fù)載時(shí)，效率較高。若在負(fù)載不是很大的情況下，選用 58%的占空比，效率會(huì)較高 . 用 MOSFET 替換 BJT 晶體管作為外圍電路的開關(guān)部件對效率的影響。 DCDC轉(zhuǎn)換器（開關(guān)調(diào)整器）的尖峰噪音。但其效率不高，在以高效恒流的設(shè)計(jì)背景下明顯不可取。 本設(shè)計(jì) 選擇了 Boost 變換器。 PWM 的設(shè)計(jì) PWM 的產(chǎn)生方式及論證 方案一：有單片機(jī)直接產(chǎn)生 MSP430 單片機(jī)直接輸出可調(diào) PWM 波，雖然應(yīng)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 電力 MOSFET 驅(qū)動(dòng) 功率小，采用三極管驅(qū)動(dòng)即可滿足要求，驅(qū)動(dòng)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(shí)功率也會(huì)大大超過普通電阻的額定功率電阻將被燒斷。導(dǎo)致電阻溫度急劇上升，將產(chǎn)生很大的測量誤差。另一個(gè)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(jìn)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(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 21 4 軟件設(shè)計(jì) 開 關(guān)電路核心電路 （見 圖 ）。 若取 f=100kHz,Iomin=，則可計(jì)算出 Lmin 的取值可為 。鍵盤上沒有按鍵閉合時(shí)，所有行線 輸入全為高電平。 LCD 時(shí)序控制圖如下圖所示 開始 準(zhǔn)備列掃描的初值“ 1110 鍵值初始為“ 0“ 送入掃描值 =0? =0? =0? =0? 調(diào)整列掃描值 返回鍵值 Y Y Y Y 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 27 （ 1）八位并口寫操作時(shí)序圖 圖 LCD寫操作時(shí)序圖 （ 2）八位并口讀操作時(shí)序圖 圖 LCD 讀操作時(shí)序圖 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 28 圖 液晶屏模塊與單片機(jī)相連 AD電壓和電流采集模塊：通過 MSP430 單片機(jī)的 12位 A／ D轉(zhuǎn)換模塊，對系統(tǒng)輸出的電壓值和負(fù)載電流進(jìn)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(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 29 本設(shè)計(jì)的軟件采用 C 語言編寫，整個(gè)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(gè)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(gè)元件就會(huì)帶來一份可觀的功耗 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 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(nèi)的、國外的，中文的、外文的。 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 33 參考文獻(xiàn) 1. 帳占松 .開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) .電子工業(yè)出版社 .. 2. 曲學(xué)基等 .新編高頻開過穩(wěn)壓電源 .電子工業(yè)出版社。 設(shè)計(jì) [M].北京：科學(xué)出版社， 2020： 3969. ，楊興洲．新穎開關(guān)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(guān)電源 [J].沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào) ,2020,第六卷： 1618. 基于 MSP430 的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 34