基于MSP430的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文好

基于MSP430的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)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(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多，對(duì)電源的要求更加靈活多樣。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟。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)。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。而調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，于是它很難滿足電子設(shè)備發(fā)展的要求。從而促成了高效率、體積小、重量輕的開(kāi)關(guān)電源的迅速發(fā)展。介紹基于MSP430單片機(jī)的開(kāi)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。該系統(tǒng)的軟件是在IAREmbeddedWorkbench開(kāi)發(fā)環(huán)境采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括12高精度A/D采集、PWM驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)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。關(guān)鍵詞：MSP430；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；PWM；升壓斬波；AbstractWiththedevelopmentofelectronictechnology,applicationfieldofelectronicsystemismoreandmoreextensive,electronicequipmentspeciesmoreandmore,thedemandforpowerismoreflexibleanddiversified.Electronicequipmentminiaturizedandlowcostinthepoweroflightandthin,smallandefficientfordevelopmentdirection.Thetraditionalserialadjustmentmanostat,transistoriscontinuouscontrollinearmanostat,thistraditionalmanostattechnologymoremature.Andtherehavebeenmanyintegratedlinearmanostatmodule,hasthestableperformanceisgood,outputripplevoltagesmall,reliableoperation,etc.Butitsusuallyneedarebulkyandheavyindustrialfrequencytransformerandisolationwith,filterthebulkandweightarealsogreat.Andadjustthetubesworkinlinearamplificationstate,inordertoguaranteetheoutputvoltagestability,betweenthecollectorandemittervoltagedifferencemustbearlarger,resultinginbigger,powerregulatingtransistorpowerconsumptionisveryinefficient,usuallyonlyaround45%,moreover,duetotheadjustmentofthetubeconsumption,soneedlargepowerbyhighpoweradjustmenttubeandequippedwithlargeradiator,soitisdifficulttomeettherequirementsofthedevelopmentofelectronicequipment.Thuscontributedtohighefficiency,smallvolume,lightweightoftherapiddevelopmentofswitchpowerThispageintroducesasystemstructureofswitchingpowersupplybasedonMSP430singlechipcomputerandatotaldesignproject,thehardwareincludesloadresistanceofrectifier–filercircuits,boostchoppercircuit,PWMdrivingcircuitandprotectioncircuit.ThesoftwareadoptsClanguagewriting,tocompletesomedesignsofhighprecisionA/Ddataacquisitionof12bit,overloadprotection,ithasthefunctionsofsettingofkeyboardanddisplayofreal-timevalueKeywords:MSP430;switchsupply;PWM;boostchopping目錄摘要 IAbstract II目錄 III前言 11開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)介 21.1開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu) 21.2開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理 21.3穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電壓的基本原理電路 4圖1.3穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電壓的基本原理框圖 41．4開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn) 4，效率高 4，重量輕 5 5 51．5開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn) 62.MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介 72.1MSP430單片機(jī)的發(fā)展 72.2MSP430單片機(jī)的特點(diǎn) 82.21處理能力強(qiáng) 82.22運(yùn)算速度快 92.23超低功耗 92.3片內(nèi)資源豐富 92.4方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境 103系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總設(shè)計(jì)方案 113.1基于MSP430的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 113.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及思路 113.3控制系統(tǒng)有兩種方案： 12 12 123.4DC-DC的作用及調(diào)制方式 133.4.1DC-DC的作用 133.4.2DC/DC變換器的論證和選擇 153.5PWM的設(shè)計(jì) 163.5.1PWM的產(chǎn)生方式及論證 163.5.2PWM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 173.6電流取樣電阻的選擇方案 183.6.1采樣電路的確定和設(shè)計(jì) 193.7保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 204軟件設(shè)計(jì) 214.1主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算 214.2MSP430的外圍設(shè)計(jì) 234.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 304.4結(jié)語(yǔ) 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33前言MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)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(hào)處理器（MixedSignalProcessor），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(kāi)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。開(kāi)關(guān)Boost穩(wěn)壓電源利用開(kāi)關(guān)器件控制、無(wú)源磁性元件及電容元件的能量存儲(chǔ)特性，從輸入電壓源獲取分離的能量，暫時(shí)把能量以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電感器中，或以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電容器中，然后將能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載。對(duì)DC-DC主回路采用Boost升壓斬波電路。通過(guò)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。1開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)介1.1開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)圖1畫(huà)出了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開(kāi)關(guān)管V，激勵(lì)信號(hào)，續(xù)流二極管Vp，儲(chǔ)能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。這里我們對(duì)直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中。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1.1開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖及等效原理圖1.2開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見(jiàn)下圖。圖1.2調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理

對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō)，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。直流平均電壓Ｕ。可由公式計(jì)算，

即Uo=Um×T1/T

式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。

從上式可以看出，當(dāng)Um與T不變時(shí)，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們?cè)O(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。1.3穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電壓的基本原理電路整流濾波整流濾波高頻變換器調(diào)寬方波整流濾波脈寬調(diào)制比較器取樣器振蕩器基準(zhǔn)電壓控制電路AC輸入DC圖1.3穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電壓的基本原理框圖

開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖1.3所示。

交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。1．4開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)，效率高在圖1中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開(kāi)關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。，重量輕從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開(kāi)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。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500—1/1000。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。1．5開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開(kāi)關(guān)晶體管V工作在狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。2.MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低MSP430單片機(jī)功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（MixedSignalProcessor）。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)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。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。[2]2.1MSP430單片機(jī)的發(fā)展德州儀器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等幾個(gè)系列，這些系列具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。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(kāi)發(fā)。這也表明了這幾個(gè)系列的開(kāi)發(fā)模式，即：用戶可以用EPROM型開(kāi)發(fā)樣機(jī)；用OTP型進(jìn)行小批量生產(chǎn)；而ROM型適應(yīng)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。2000年推出了11x/11x1系列。這個(gè)系列采用20腳封裝，內(nèi)存容量、片上功能和I/O引腳數(shù)比較少，但是價(jià)格比較低廉。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術(shù)特點(diǎn)，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性如：片內(nèi)串行通信接口、硬件乘法器、足夠的I/O引腳等，只有33x系列才具備。33x系列價(jià)格較高，比較適合于較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)用戶設(shè)計(jì)需要更多考慮成本時(shí)，33x并不一定是最適合的。而片內(nèi)高精度A/D轉(zhuǎn)換器又只有32x系列才有。2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相繼推出F41x、F43x、F44x。這些全部是Flash型單片機(jī)。F41x系列單片機(jī)有48個(gè)I/O口，96段LCD驅(qū)動(dòng)。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。并且相應(yīng)地調(diào)整了顯示存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。MSP430系列的部分產(chǎn)品具有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。TI公司推出具有Flash型存儲(chǔ)器及JTAG邊界掃描技術(shù)的廉價(jià)開(kāi)發(fā)工具M(jìn)SP-FET430X110，將國(guó)際上先進(jìn)的JTAG技術(shù)和Flash在線編程技術(shù)引入MSP430。這種以Flash技術(shù)與FET開(kāi)發(fā)工具組合的開(kāi)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(kāi)發(fā)方式。2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技術(shù)，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級(jí)提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可達(dá)到32個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。TI公司在2002年底和2003年期間又陸續(xù)推出了F15x和F16x系列的產(chǎn)品。在這一新的系列中，有了兩個(gè)方面的發(fā)展。一是從存儲(chǔ)器方面來(lái)說(shuō)，將RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。二是從外圍模塊來(lái)說(shuō)，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模塊。2.2MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)2.21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(jiǎn)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）、簡(jiǎn)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。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。2.22運(yùn)算速度快MSP430系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等）。2.23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。首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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)。可以只使用一個(gè)晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)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。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5μA，在RAM保持模式下，最低可達(dá)0.1μA。2.3片內(nèi)資源豐富MSP430系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。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)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-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（BasicTimer）、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。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的I/O端口，P0、P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；實(shí)現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。另外，MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。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。2.4方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后燒寫(xiě)或掩膜芯片；對(duì)于FLASH型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總設(shè)計(jì)方案3.1基于MSP430的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)本開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是以MSP430為主控制器件，它是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)，其低功耗的優(yōu)點(diǎn)有利于系統(tǒng)效率高的要求，且其ADC12是高精度的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，有高速、通用的特點(diǎn)。鍵盤控制，PWM波產(chǎn)生，基準(zhǔn)電壓設(shè)定；電壓電流顯示；過(guò)電流保護(hù)等。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及思路基于題目的基本要求，可以采用圖一所示的方案。系統(tǒng)主要由整流濾波、DC-DC變換器、控制系統(tǒng)、顯示等電路組成。變壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電壓模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、A/D轉(zhuǎn)換、過(guò)流保護(hù)、DC-DC電壓輸出控制和穩(wěn)壓、顯示、人機(jī)交換等功能，保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)輸出電流過(guò)流保護(hù)功能。整流濾波整流濾波DC-DC變換負(fù)載過(guò)流保護(hù)鍵盤控制系統(tǒng)顯示圖3.2思路設(shè)計(jì)圖3.3控制系統(tǒng)有兩種方案：?jiǎn)纹瑱C(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。該方案的優(yōu)點(diǎn)：布線簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)節(jié)省時(shí)間。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(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)單片機(jī)得硬件資源要求很高；3該設(shè)計(jì)要求對(duì)DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)PWM控制的開(kāi)關(guān)頻率至少要為100KHz，這些單片機(jī)難于實(shí)現(xiàn)的；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。該方案的優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)軟件編程工作量較小，難度不大；用脈寬調(diào)制型控制器實(shí)現(xiàn)PWM控制，產(chǎn)生頻率為100KHz的脈沖較容易，并且完全由硬件產(chǎn)生高頻脈沖，實(shí)時(shí)性好；單片機(jī)控制的任務(wù)較輕，對(duì)單片機(jī)硬件資源要求不高。該方案的缺點(diǎn)：硬件器件設(shè)計(jì)難度較大；電路板布線工作量較大；經(jīng)過(guò)方案比較和論證，最終確定用方案二…………單片機(jī)和和脈寬調(diào)制型控制器共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)的組成框圖如下圖所示，脈寬調(diào)制直接控制DC-DC變換模塊。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示，A/D轉(zhuǎn)換、過(guò)流保護(hù)、對(duì)脈寬調(diào)整前進(jìn)行控制、顯示和人機(jī)交換等功能；過(guò)流保護(hù)使負(fù)載不超過(guò)2.5A；

本開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是以MSP430F449為主控制器件，它是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)，其低功耗的優(yōu)點(diǎn)有利于系統(tǒng)效率高的要求，且其ADC12是高精度的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，有高速、通用的特點(diǎn)。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(guò)電流保護(hù)等。AC輸入AC輸入整流濾波電路DC-DC轉(zhuǎn)換電路負(fù)載驅(qū)動(dòng)A/D采樣電壓反饋過(guò)電流保護(hù)MSP430單片機(jī)鍵盤設(shè)定基準(zhǔn)電壓電壓電流顯示PWM圖3.3系統(tǒng)框圖如圖所示3.4DC-DC的作用及調(diào)制方式3.4.DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)軌電車、地鐵、列車、電動(dòng)車的無(wú)級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20％～30％的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用(開(kāi)關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。DC-DC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。在討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能時(shí)，如果單針對(duì)控制芯片，是不能判斷其優(yōu)劣的。其外圍電路的元器件特性，和基板的布線方式等，能改變電源電路的性能，因此，應(yīng)進(jìn)行綜合判斷。B:調(diào)制方式1:PFM（脈沖頻率調(diào)制方式）開(kāi)關(guān)脈沖寬度一定，通過(guò)改變脈沖輸出的時(shí)間，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。2:PWM（脈沖寬度調(diào)制）開(kāi)關(guān)脈沖的頻率一定，通過(guò)改變脈沖輸出寬度，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。C:通常情況下，采用PFM和PWM這兩種不同調(diào)制方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能不同點(diǎn)如下。PWM的頻率，PFM的占空比的選擇方法。PFM調(diào)制方式占空比較大的情況（如：Duty=75%）占空比較小的情況（如：Duty=58%）（1）小負(fù)載時(shí)，效率較低。（1）小負(fù)載時(shí)，效率較高。（2）可輸出較大的電流。（2）輸出的電流較小。因此，選用75%的占空比，可得到較大的輸出電流。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(kāi)關(guān)部件對(duì)效率的影響。效率會(huì)相應(yīng)提高。因?yàn)锽JT管需要對(duì)其基極提供驅(qū)動(dòng)電流，這增加了電路的電流消耗，而MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)其柵極提供電流，也就不會(huì)增加電路的電流消耗。但是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)請(qǐng)考慮MOSFET是否對(duì)周邊元器件產(chǎn)生影響。DC-DC轉(zhuǎn)換器（開(kāi)關(guān)調(diào)整器）的尖峰噪音。DC-DC轉(zhuǎn)換器（開(kāi)關(guān)調(diào)整器）通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)作進(jìn)行升壓或降壓，特別是晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管處于快速開(kāi)關(guān)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生尖峰噪音，以及電磁干擾。3.4.2由題目規(guī)定中明顯可看出其輸入電壓小于輸出電壓，于是需要采用升壓電路。方案采用晶體管恒流該方案的優(yōu)點(diǎn)是能獲得較為穩(wěn)定的恒流輸出，且調(diào)節(jié)電流也很方便。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。方案如下圖所示采用BUCK降壓電路通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓從而實(shí)現(xiàn)流經(jīng)負(fù)載的電流恒定。該方案的優(yōu)點(diǎn)是效率極高，理論上可以逼近100%，且結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但控制方式比較復(fù)雜。但借助于TI公司提供的MSP430系列高速超低功耗MCU，實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不會(huì)很困難，故選用本方案。本設(shè)計(jì)選擇了Boost變換器。Boost變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由開(kāi)關(guān)管、二極管、電感等元件組成，便于進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，穩(wěn)壓性能優(yōu)，并且轉(zhuǎn)換效率高，原理圖如下圖所示圖3.4Boost變換器原理圖如下圖所以，經(jīng)過(guò)濾波后，升壓斬波電路圖圖3.5升壓斬波電路

根據(jù)升壓斬波電路的工作原理一個(gè)周期內(nèi)電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

式（1）中I1為輸出電流，電感儲(chǔ)能的大小通過(guò)的電流與電感值有關(guān)。在實(shí)際電路中電感的參數(shù)則與選取開(kāi)關(guān)頻率與輸入／輸出電壓要求，根據(jù)實(shí)際電路的要求選用合適的電感值，且要注意其內(nèi)阻不應(yīng)過(guò)大，以免其損耗過(guò)大減小效率采樣電路。對(duì)于電容的計(jì)算，在指定紋波電壓限制下，它的大小的選取主要依據(jù)式（2）：式（2）中：C為電容的值；D1為占空比；TS為MOSFET的開(kāi)關(guān)周期；I0為負(fù)載電流；V′為輸出電壓紋波。3.5PWM的設(shè)計(jì)3.5.1P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(jiǎn)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。方案二：有三角波產(chǎn)生采用三角波于可調(diào)電壓比較器比較，也可以實(shí)現(xiàn)脈寬可調(diào)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限，用運(yùn)算放大后，可以滿足要求，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于制作。方案三：使用PWM集成控制器使用單芯片的PWM集成控制器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于用單片機(jī)進(jìn)行控制，配合模擬圖騰柱電路，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管較為理想。故系統(tǒng)采用方案一。3.5.2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。圖3.6上圖為PWM驅(qū)動(dòng)電路由于單片機(jī)為弱電系統(tǒng)，為保證安全需要與強(qiáng)電側(cè)隔離，防止強(qiáng)電側(cè)的電壓回流，燒壞MSP430，先用開(kāi)關(guān)光耦進(jìn)行光電隔離，再經(jīng)三極管到MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路IR2101.MSP430產(chǎn)生的PWM波，經(jīng)過(guò)光耦及后面的IR2101芯片，在芯片的5管腳輸出的PWM波接到MOSFET的門極G端，使其工作。IR2101是專門用來(lái)驅(qū)動(dòng)耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT的。它是一個(gè)8管腳的芯片，其具有高低側(cè)的輸出參考電平。門極提供的電壓范圍是10～20V。3.6電流取樣電阻的選擇方案產(chǎn)生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測(cè)量電流一般采用的方法是測(cè)量電流流經(jīng)電阻兩端的電壓間接計(jì)算得到的。因此在殘生電流或者測(cè)量電壓值時(shí)，取樣電阻的選擇非常重要。方案一：采用普通電阻在電流比較小的情況下，普通的1/4W或者1/8W的電阻可以被用作電流測(cè)量，但是本題需要測(cè)量的是最多輸出電流需要達(dá)到2A的電源。因此即使是比較小的電阻，通過(guò)2A電流時(shí)功率也會(huì)大大超過(guò)普通電阻的額定功率電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測(cè)量電流的取樣電阻不能使用普通電阻。方案二：采用大功率電阻為了滿足流過(guò)大電流的要求，可以采用大功率電阻，通過(guò)2A電流時(shí)一定不會(huì)被燒斷。但是此時(shí)流過(guò)的大電流將會(huì)使電阻大量發(fā)熱。導(dǎo)致電阻溫度急劇上升，將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。因此不能使用溫度漂移嚴(yán)重的普通大功率電阻。方案三：采用康錳銅電阻絲康錳銅電阻絲是電流測(cè)量中很常用取樣電阻，起特點(diǎn)在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在1的康錳銅電阻絲上通過(guò)約2A電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會(huì)引起0.2左右的阻值變化，對(duì)電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一個(gè)方面，1的康錳銅電阻絲約長(zhǎng)1m，由于和外界接觸面積大，即使通過(guò)大電流也能很快的散熱，進(jìn)一步的減小溫度漂移帶來(lái)的影響。鑒于上面分析。本設(shè)計(jì)采用方案三。3.6.1采樣電路采樣電路為電壓采集與電流采集電路，采樣電路如圖3所示。其中P6.0，P6.1為MSP430芯片的采樣通道，P6.0為電壓采集，P6.1為電流采集。圖3.7采樣電路

電壓采集因?yàn)椴蓸有盘?hào)要輸入單片機(jī)MSP430內(nèi)部，其內(nèi)部采樣基準(zhǔn)電壓選為2.5V，因此要將輸入的采樣電壓限制在2.5V之下，考慮安全裕量則將輸入電壓限制在2V以下，當(dāng)輸入電壓為36V時(shí)，采樣電壓為：12／（12+200）×36=2.04V，符合要求。電流采集采用康銅絲進(jìn)行采集。首先考慮效率問(wèn)題，康銅絲不能選擇過(guò)大，同時(shí)MSP430基準(zhǔn)電壓為2.5V，且所需康銅絲需自制?？紤]以上方面在康銅絲阻值選取上約為0.1Ω。3.7保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過(guò)負(fù)載輸出電流對(duì)電源和負(fù)載的損壞。當(dāng)電流大于限定值的時(shí)候，使用繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)進(jìn)行保護(hù)。用MSP430單片機(jī)控制繼電器的常開(kāi)常閉的吸合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)電路工作的功能。如圖5所示：圖3.8保護(hù)電路4軟件設(shè)計(jì)4.1主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算開(kāi)關(guān)電路核心電路（見(jiàn)圖4.1）。圖4.1開(kāi)關(guān)電路核心電路在主回路的器件選擇中主要是電感和電容，其中電感的選擇方法計(jì)算如下：各參數(shù)定義：：場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)流經(jīng)電感的電流Ion：場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)電感的電流Vin：經(jīng)整流濾波后輸出電壓Vo：輸出電壓VL：電感兩端電壓T：開(kāi)關(guān)周期Ton：一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)間D：占空因數(shù)流經(jīng)電感的電流表達(dá)式：i(t)=i(0)+∫VL/LdtMOSFET導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)電感的電流：iL=+∫VL/Ldt=+VL*t/LMOSFET關(guān)閉時(shí)流經(jīng)電感的電流：iL=Ion-∫(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，則：Ion=+Vin*Ton/L (1)=Ion-(Vo-Vin)*/L (2)由(1)(2)兩式可得：Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)上式即為開(kāi)關(guān)電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。在導(dǎo)通期間電路消耗的能量為：Eon=∫P(t)dt=∫i(t)Vindt=∫(+Vin*t/L)Vindt=Pout*T，得:=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton在開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)期，電感的電流應(yīng)是連續(xù)的，需滿足：>=0則：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf當(dāng)D=1/2時(shí)，Vo=2Vin,上式右邊取最大值，此時(shí)：L>=Vo2/32Poutf題目要求：輸入電壓Vin的范圍是15V到21V,輸出電壓Vo的范圍是30V到36V。由于經(jīng)整流濾波后電壓會(huì)有所提高，一般滿足：Vinmin=15*1.2V=18VVinmax=21*1.414-1.5=28VVomin=30VVomax=36V于是：Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要達(dá)到50%。若取f=100kHz,Iomin=0.1A，則可計(jì)算出Lmin的取值可為0.1mH。4.2MSP430的外圍設(shè)計(jì)MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有高、中、低速多個(gè)時(shí)鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率；430F449有ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、硬件乘法器以及帶有PWM輸出功能的TIMERA和TIMRB定時(shí)器，使得整個(gè)電路不需要任何擴(kuò)展就能完成對(duì)電源輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)采集、PI控制、PWM輸出；同時(shí)MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單。圖4.2MSP430接口圖鍵盤控制和顯示模塊：通過(guò)鍵盤可實(shí)現(xiàn)電壓參考值的設(shè)定，電壓電流的切換顯示。圖4.3矩陣式鍵盤圖中行線P1.0-P1.3通過(guò)上拉電阻接電源，出于輸入狀態(tài)，列線P1.4-P1.7為輸出狀態(tài)。鍵盤上沒(méi)有按鍵閉合時(shí)，所有行線P1.0-P1.3輸入全為高電平。當(dāng)鍵盤上某個(gè)按鍵閉合時(shí)，則對(duì)應(yīng)的行線和列線短接。開(kāi)始開(kāi)始準(zhǔn)備列掃描的初值“1110鍵值初始為“0“送入掃描值P1.2=0?P1.0=0?P1.1=0?P1.3=0?調(diào)整列掃描值返回鍵值YYYY圖4.4矩陣式鍵盤的按鍵識(shí)別過(guò)程。通過(guò)LED實(shí)現(xiàn)參考電壓的設(shè)定與顯示，通過(guò)LCD顯示電壓和電流的采集值。LCD時(shí)序控制圖如下圖所示（1）八位并口寫(xiě)操作時(shí)序圖圖4.5LCD寫(xiě)操