一種buck型數控電源的設計

李林華，楊 軍，陳 明，何 毅

（貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

隨著社會生產對自動化性能要求的不斷提升，數控電源已經成為電源發展的基本趨勢。綜合考慮溫度漂移、電源耐久性以及精度等方面的因素，相對于模擬控制，數控電源的優勢更明顯，也符合自動化實際應用的需求。單片機的發展為數控電源設計提供了一種新的途徑[1]。基于此，本文利用單片機設計了一種buck數控電源。

1 組成架構與工作原理

1.1 組成架構

該數控電源的組成架構如圖1所示。在該電源中，控制單元采用MSP430單片機，AC電壓輸入為15 V的變壓器，并設計了整流濾波電路對電壓進行調整。經過整流濾波后，電壓約為21 V。但是，在該電源中并未設置穩壓電路，電源電壓會隨著外部電壓的變化而變化。最后，電源經過buck降壓轉換后輸出負載。在該電源中，電壓測定采用MSP430內部的A/D轉換器，測量結果與鍵盤輸入的電壓值比較，若測試結果大于輸入電壓，則減少PWM的占空比，否則就增加PWM的占空比，以實現可用按鍵控制輸出的目的。當電流超過1 A時，單片機控制繼電器打開，切斷buck型DC-DC轉化電路的電源，達到過流保護的目的，輔助LCD12864顯示各項參數，以便觀察參數的變化[2]。

1.2 工作原理

目前，開關電源的拓撲結構設計種類相對較多。在本文的設計中，該數控電源的電壓相對較低，位于安全電壓范圍內，同時要求輸出電壓能夠通過按鍵控制方式進行降壓處理。因此，電路中并沒有采用隔離控制設計方法，而是電壓轉換直接采用buck降壓變化器實現的。轉換電路圖，如圖2所示。該電路的主要構件為開關器件、續流二極管、電容以及儲能電感[3]。由于開關器件所流經的電流相對較大，同時要實現同步降壓，因此在設計中增加了阻值相對較高的場效應管[4]。

圖1 該電源的組成架構

圖2 轉換電路結構示意圖

2 電路模塊設計

在該buck型數控電源設計中，電路模塊設計是整個電源設計的重要組成部分，同時是設計工作的主要內容。

2.1 控制器的選擇

目前，市場上的單片機種類相對較多，功能方面存在較大差異。因此，選擇合適的控制器是影響設計的一個重要因素[5]。本次設計采用MSP430單片機作為控制器。該控制器是美國德州儀器廠研發的一款功率相對較低的控制器，在速度方面也相對較快，內部模塊數量也相對較多，能夠有效滿足數控電源的使用需求。此外，該單片機的另一強大優勢在于自帶了干路信號捕獲與比較分析模塊。該模塊能夠在不使用中央處理器的情況下，根據定時器的信號自動調整波形。最后，MSP430單片機的DCO振蕩頻率可以達到18 MHz，因此采用該單片機即使沒有外界晶振，也可以滿足系統的工作要求[6]。

2.2 顯示屏設計

該數控電源需要具備良好的人機交互功能，允許用戶根據實際需求調整電壓。因此，必須要設計顯示器才能滿足實際應用要求。基于此，該設計中增加了一塊LCD12846顯示屏。該顯示屏與單片機的串行連接，如圖3所示。該顯示屏不僅顯示內容較豐富，而且簡化了人們與單片機之間的交互過程，也有效簡化了單片機的接口設置。

圖3 顯示器串行顯示

2.3 PWM波驅動電路設計

該電源中，PWM波驅動電路設計存在較大難度，也是實現數控電源的關鍵。電路中單片機輸出的PWM波幅將滑動端的輸出接到運算放大器的兩個輸入端進行差分放大，驅動電路設計如圖4所示[7]。

圖4 PWM波驅動電路

2.4 其他系統設計

除了以上組成模塊外，該數控電源還需要設置基礎的硬件系統模塊，主要包含按鍵系統和過壓保護系統。這兩個系統的設計與傳統電源設計之間沒有較大差異，在此不再贅述。

3 結 論

Buck型數控電源在自動化生產中具有重要意義。本文利用MSP430單片機設計了一種buck型數控電源，希望能對我國自動化產業的發展有所幫助。