基于單片機的智能穩壓型開關電源模塊并聯供電軟件系統的設計

中國礦業大學銀川學院 張鐵山 任 眾

軟件系統是開關電源重要的組成部分，本文是對穩壓型開關電源軟件系統的設計。軟件系統采用逐步逼近目標值的算法對輸出電流進行調節，通過對電源系統的輸出量實時檢測、采樣，對電源系統的輸出進行數字精確控制，根據不同的負載輸出需求，電源系統自動調節兩路開關電源模塊的輸出電壓和電流，以達到恒定的輸出功率。通過系統測試可得，實現兩路開關電源模塊恒壓、恒流輸出及兩路開關電源模塊并聯后對同一負載的供電，電源系統的效率也超出了設計的目標值的。

經過前期研究，本課題組設計一款能夠智能控制開斷的穩壓型開關電源（韋聰穎,張波.開關電源并聯運行及其均流技術[J].電氣自動化,010 (2);吳了,郭苗苗.一種適用于Buck型DC/DC變換器的高精度片上電流采樣電路[J].微電子學與計算機,2011(6)），硬件組成如圖1所示。

圖1 電源開關是硬件組成

本文將設計該開關電源的軟件系統，并對其輸出的電壓電流進行測試。

1 總體方案設計思路

考慮到測試信號的顯示、電壓電流的調節、系統的保護等，所設計的軟件系統需要包括以下內容。

（1）系統的初始化、PWM信號的產生和顯示部分。

（2）對電壓的調節控制。

（3）對電流的調節控制。

（4）系統的保護。

2 系統軟件設計

2.1 信號采樣與數字濾波

電壓、電流是整個設計的被控對象，要實現電壓、電流的穩定輸出不僅對電壓、電流信號的采樣電路要精確設計，還需要運用數字濾波技術對信號進行處理，并且需要設計出對應的控制程序。其中，數字濾波也叫軟件濾波，是把A/D轉換得到的數據通過軟件按照一定的算法進行平滑加工等處理，然后由控制程序對結果進行處理，這樣不僅有效的信號得到了提高，干擾信號降低，而且整個系統的精準性和穩定性也提高了。本設計對采集到的電壓、電流信號先進行中值濾波和算術平均濾波，然后將得到的較準確的采樣信號送給控制程序，控制程序逐步調節電壓和電流使其逼近目標值（武鵬.一種BUCK型DC-DC開關電源的設計與實現[D].沈陽:遼寧大學,2011;馬駿,杜青.一種開關電源并聯系統自動均流技術的研究[J].電源技術,2011;鄭金.基于單片機的高頻開關電源的研究[D].沈陽:東北大學,2010）。

（1）中值濾波方法

（2）算術平均濾波方法

所謂算術平均濾波，就是在KT這一段時間內采樣，一共連續采樣n次，為得到的采樣序列，最后作為KT時刻的采樣值傳送給控制程序的是n次采樣的算術平均值。

該濾波方法特別適合于處理周期性的信號樣本。其中，采樣次數n的取值與樣本平滑度和靈敏度有關。n增大，可以提高數據的平滑度，但會降低其靈敏度，同時，也會使采樣時間和濾波時間增加。

本設計中的電壓、電流信號實時脈沖較多，是一些周期的性的信號，所以在程序設計中采用這兩種方法進行數字濾波。

2.2 程序功能描述

程序（譚浩強. C程序設計(第4版)[M].北京:清華大學出版社,2007:21-95）主要完成了單片機對負載電流及電壓的自動控制功能，即在無人為干擾的條件下實現當因負載變化造成的電壓波動時，單片機會發出指令通過閉環控制將負載電壓穩定在8±0.4V。同時，可以使單片機完成在一定范圍內按任意比例對電流進行分配。且若電流超出安全范圍（大于4.5A）時，單片機可發布指令實現過流保護及自動恢復功能。

（1）程序設計思路：程序的設計思路是查詢方式。

步驟1：對整個系統進行初始化處理。包括單片機中引腳分配的初始化，以及對晶振、串口、液晶屏、PWM信號產生模塊的初始化等。

步驟2：開始采樣后，首次過流檢測，要求PWM波的占空比應為30%。

步驟3：A/D轉換器對電壓進行采樣，調節系統的輸出電壓，當電壓調控在程序設定的范圍內時，執行下一步，即電流控制。否則，程序不停地調節電壓，通過調用PWM波發生函數，通過改變PWM的頻率來逐步調節電壓至設定的范圍。

步驟4：電流的控制。對輸出電流采樣后，與目標值進行比較，差值轉化為DAC口的控制電壓（具體的電流控制原理在前面的硬件中已經介紹）。

步驟5：電流控制完成后程序返回至過流檢測重新以查詢的方式對系統進行制。

（2）程序流程如圖2所示：

圖2 主程序流程圖

2.3 PWM信號參數的理論計算

在如圖所示的Buck電路中，當t = 0時，i0以指數曲線的規律上升，此時MP導通，Vin向負載供電。而當t = t1時，i0會以指數曲線的規律下降，這時MP關斷，i0經VD續流，u0近似為零，為使i0連續且脈動小，通常使L值較大。

圖3 BUCK變換器基本電路結構

若要使L中的電流由最小值ILmin變為最大值ILmax，需控制信號使MP導通，若要使L中的電流從最大值ILmax變為最小值ILmin，則需要控制信號使MP截止。因此，分析可得輸入輸出有如下關系：

式中：ton—開關導通時間toff—開關截止時間

T —開關管工作周期

D —占空比。

式中：n—單片機產生PWM波的位數，N—單片機控制值。

由于PWM波選用8位時可獲得更高的頻率，其計算公式如下：

其中f單片機為單片機的自身頻率25.4MHz，n為單片機產生PWM波的位數，故可知當選用8位PWM波時，，遠大于16位PWM波的，當采用4分頻時，采用8位時的頻率達到99.2KHz/4=24.8KHz。

故采用8位PWM可使控制更加靈活自如，對電壓調節的精度也整體提高了，使調節中電流很大時電壓跳變的現象緩和，從而更利于DC/DC模塊在通過電流非常大時也可得到較準確的8V電壓。

由上式可知，調整占空比D，可以調整輸出電壓的值，并且當系統有波動時，可以通過調整D，來保持輸出電壓的穩定。該變換器的輸出電壓總是小于輸入電壓，因此是降壓型的變換器。

圖4 過流檢測程序流程圖

2.4 過流保護

為了防止電流過大及電路短路的危險，需要設計電路過流保護及自動恢復功能，用電流檢測電路檢測即時電流的大小，并將檢測結果送入單片機，用比較器進行判斷，當電流大于4.5A時，用單片機控制其輸出電流為0，過3秒后繼續檢測反饋到單片機。若此時電路已正常，電流恢復到小于4.5A的水平，則電流將單片機控制其電流輸出為0的程序中斷，電流恢復到正常水平，即此時完成了自動恢復功能；若此時檢測到電流仍然大于4.5A，則繼續執行使輸出電流為0的程序，3秒后再繼續檢測。此過流保護及自動回復機制執行流程如圖4所示。

3 系統測試

3.1 測試儀器及參數

（1）數字萬用表

型號：MASTECH MS8261

（2）直流電源

型號：晶振管直流穩壓電源

輸出電壓：直流0-30V

輸出電流：直流0-5A

（3）滑線變阻器電阻負載

型號：30Ω,3A

（4）數字式示波器

型號：RIGOL DS1102D

3.2 調試方法與步驟

調試方法為先分塊調試，首先測試幾個點的波形是否正常，先測單片機輸出PWM波形如圖5所示：

圖5 PWM波形

圖6 IGBT柵極波形

通過觀察圖5，我們可以看出，PWM波的低電平為0V，高電平為3.3V，波形基本完好，當前情況下占空比為45.4%。測完PWM波形以后，再用示波器測IGBT柵極波形，如圖6所示，測其波形和單片機輸出PWM波吻合。

測完波形后再分別測試DC/DC主要組成部分恒壓源模塊、恒流源模塊，并且此時是用鍵盤手動輸入參數的方法，可通過單片機上的小鍵盤，控制占空比，從而調整輸出的電壓。或用小鍵盤輸入指令使其保持分流。分步調試全部正常后進行整體測試，整體測試要求實現在不按鍵的情況下電壓自動維持在8V，還要實現均流。

步驟一：首先，對恒壓源模塊及恒流源模塊分別進行測試

單片機（蘆守平,姜瀚文,徐千.基于單片機控制的程控開關電源研究[J].電源技術與應用,2011(05):208-210;吳瓊,彭保進.基于ARM的智能數字開關電源設計[J].電源設計,2010,(12):208-210;魏汝敬,劉劍剛.開關電源節能原理及現網設備改造[J].電源世界,2011(2)）程序將恒流源的控制放開，用鍵盤將電壓調制8V左右至少范圍在8V±0.4V之間，用鍵盤控制其恒壓源生效，此時就可以任意調整滑線變阻器負載大小，觀察電壓變化。可得到電流、電壓與電阻的關系如表1所示。

表1 測試數據

通過以上數據我們可以看出恒壓源模塊當負載變化時可以穩定在8V左右，符合要求。對于恒流源模塊，可見電流可以穩定且實現了一定比例的分流，而且互相之間滿足歐姆定律，符合題目要求。

步驟二：測試電流過大超過4.5A時的電路過流保護能力及自我恢復能力。單片機設置電流值不斷升高，直至超過4.5A時看電路輸出電流變化。

具體現象：當電流超過4.5A時則電流會變為0，并且負載電壓為0，大約過3秒鐘重新有電壓電流，若此時電流仍超過4.5A，則繼續維持此動作，停電3秒后繼續檢測；若此時電流小于4.5A，則電路正常工作。

步驟三：進行整體測試，在不用鍵盤輸入的情況下使電壓電流達到題目預訂要求，并測試電源效率。

對于基本要求第(1)條，在前面的設計中都全部達到。

對于基本要求第(2)條，測量得到在調整負載時輸出電壓能夠基本穩定在8V左右，符合要求。數據記錄如下：

對于基本要求第(3)條，測得輸入電流Ii=2.1A，輸入電壓Ui=24V，輸出電流IO=4.03A，UO=8.1V測量所得負載工作電壓為8.3V，兩路電流分別為1.94A和1.95A，故可由公式，輸入功率：

輸出功率：

效率：

三個公式，可得出出供電系統效率為：

達到要求。

對于基本要求第(4)條，調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.1V，兩個支路電流分別都為，。符合要求。

對于基本要求第(5)條，當電流大于4.41A時電壓會自動全部為零大約3秒鐘，然后重新恢復電壓電流，符合要求。

4 結論

本文是應用單片機技術，對本智能型穩壓開關電源的軟件系統進行了設計和測試。與傳統的開關電源系統相比較，從技術上實現了智能的電壓、電流調節。完成Buck電路模型的拓撲分析，IGBT驅動電路的設計，采用簡單穩定的分壓的硬件方法與數字濾波軟件的方法對電壓信號進行了真實的采集。對于電流的采集是用0.22歐姆、5瓦的電阻，再結合數字濾波中的中值濾波與算術平均值濾波，最終實現了兩路電流的穩定控制。

經過測試步驟一的測量數據我們會發現，該并聯的DC/DC模塊可以通過調節使負載電壓調整至8V±0.4V之間，并且在負載變化時仍能將電壓調至8V±0.4V，并且可通過手動調節調整至電流按比例分配的狀態。且通過數據我們可以發現，均流電流可以達到2A左右，完全符合題目要求。這些實驗現象都證明單片機自動控制完成這些任務具有完全可行性，只需編制程序就可實現題目中自動控制的要求。

總之，經過一系列的測試步驟，本設計的作品符合設計任務的要求，控制精準，系統可靠，數字化程度較高。綜上所述，本設計達到設計要求。