基于ATMEGA 16的開關電源設計與制作

薛秀云，陳華寧，翟頌彬，張丞

（華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

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[1]。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[2]，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（＜3 V）[3－5]。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[6]。

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；+5 V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

圖1 系統組成框圖Fig.1Frame of system composing

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產生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5 V電壓為單片機ATMEGA16提供電源，電路如圖2所示。

其中R1為限流電阻、C1為定時電容、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330 mV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。

圖2 單片機供電電源電路Fig.2Power supply circuit of the single chip microcomputer

由以上兩式可知，當輸出電壓5 V時，Rst、R2和R3的取值分別為0.5 Ω、1.2 kΩ、3.6 kΩ。

1.4 鍵盤及顯示電路

輸入及顯示電路采用4個按鍵，利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ATMEGA 16采用內部8 MHz晶振。

圖3 鍵盤及顯示電路Fig.3Circuit of the keyboard and display

1.5 DC-DC電路

DC－DC電路如圖4所示。該模塊為SR－Buck變換器，開關管采用MOSFET管IRF540。IRF540的最大漏極電流ID為33 A，導通電阻RDS（on）為44 mΩ，漏源擊穿電壓VDSS為100 V。MOSFET是電壓控制電流源，為了驅動MOSFET進入飽和區，需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220 μH的電感和2個并聯的470 μF的ESR電容組成，0.1 μF的陶瓷電容用于吸收輸出端的高頻分量。

圖4 DC－DC開關電路Fig.4Circuit of DC－DC switch

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（Vo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。

圖5 電壓采樣電路Fig.5Circuit of voltage sampling

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[7]。為了避免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。

式中：ΔP（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3 V、5 V和9 V時，經實驗測定電源的性能指標參數如下：

1）輸出電壓0～9.9 V可調，步進為0.1 V，輸出電流可達1.5 A；

2）電壓控制精度范圍為3%～0.71%；

3）當輸出電壓9 V、輸出電流1.5 A時，電源的效率為78.78%。

4）當輸出電壓從3 V到9 V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%。

圖6 帶死區的PID控制程序流程圖Fig.6Control programme flow chart with died zone

4 結論

由以上測試結果可知，電源輸出電壓由0～9.9 V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。

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]何希才.新型開關電源設計與應用[M].北京：科學出版社，2003.

[3]王衛星.單片機原理與接口技術[M].北京：科學出版社，2010.

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