中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院 張鐵山 任 眾

軟件系統(tǒng)是開(kāi)關(guān)電源重要的組成部分，本文是對(duì)穩(wěn)壓型開(kāi)關(guān)電源軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)采用逐步逼近目標(biāo)值的算法對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)對(duì)電源系統(tǒng)的輸出量實(shí)時(shí)檢測(cè)、采樣，對(duì)電源系統(tǒng)的輸出進(jìn)行數(shù)字精確控制，根據(jù)不同的負(fù)載輸出需求，電源系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)兩路開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出電壓和電流，以達(dá)到恒定的輸出功率。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試可得，實(shí)現(xiàn)兩路開(kāi)關(guān)電源模塊恒壓、恒流輸出及兩路開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)后對(duì)同一負(fù)載的供電，電源系統(tǒng)的效率也超出了設(shè)計(jì)的目標(biāo)值的。

經(jīng)過(guò)前期研究，本課題組設(shè)計(jì)一款能夠智能控制開(kāi)斷的穩(wěn)壓型開(kāi)關(guān)電源（韋聰穎,張波.開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行及其均流技術(shù)[J].電氣自動(dòng)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(xué)與計(jì)算機(jī),2011(6)），硬件組成如圖1所示。

圖1 電源開(kāi)關(guān)是硬件組成

本文將設(shè)計(jì)該開(kāi)關(guān)電源的軟件系統(tǒng)，并對(duì)其輸出的電壓電流進(jìn)行測(cè)試。

1 總體方案設(shè)計(jì)思路

考慮到測(cè)試信號(hào)的顯示、電壓電流的調(diào)節(jié)、系統(tǒng)的保護(hù)等，所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)需要包括以下內(nèi)容。

（1）系統(tǒng)的初始化、PWM信號(hào)的產(chǎn)生和顯示部分。

（2）對(duì)電壓的調(diào)節(jié)控制。

（3）對(duì)電流的調(diào)節(jié)控制。

（4）系統(tǒng)的保護(hù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采樣與數(shù)字濾波

電壓、電流是整個(gè)設(shè)計(jì)的被控對(duì)象，要實(shí)現(xiàn)電壓、電流的穩(wěn)定輸出不僅對(duì)電壓、電流信號(hào)的采樣電路要精確設(shè)計(jì)，還需要運(yùn)用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并且需要設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的控制程序。其中，數(shù)字濾波也叫軟件濾波，是把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件按照一定的算法進(jìn)行平滑加工等處理，然后由控制程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行處理，這樣不僅有效的信號(hào)得到了提高，干擾信號(hào)降低，而且整個(gè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性也提高了。本設(shè)計(jì)對(duì)采集到的電壓、電流信號(hào)先進(jìn)行中值濾波和算術(shù)平均濾波，然后將得到的較準(zhǔn)確的采樣信號(hào)送給控制程序，控制程序逐步調(diào)節(jié)電壓和電流使其逼近目標(biāo)值（武鵬.一種BUCK型DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽(yáng):遼寧大學(xué),2011;馬駿,杜青.一種開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)均流技術(shù)的研究[J].電源技術(shù),2011;鄭金.基于單片機(jī)的高頻開(kāi)關(guān)電源的研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2010）。

（1）中值濾波方法

（2）算術(shù)平均濾波方法

所謂算術(shù)平均濾波，就是在KT這一段時(shí)間內(nèi)采樣，一共連續(xù)采樣n次，為得到的采樣序列，最后作為KT時(shí)刻的采樣值傳送給控制程序的是n次采樣的算術(shù)平均值。

該濾波方法特別適合于處理周期性的信號(hào)樣本。其中，采樣次數(shù)n的取值與樣本平滑度和靈敏度有關(guān)。n增大，可以提高數(shù)據(jù)的平滑度，但會(huì)降低其靈敏度，同時(shí)，也會(huì)使采樣時(shí)間和濾波時(shí)間增加。

本設(shè)計(jì)中的電壓、電流信號(hào)實(shí)時(shí)脈沖較多，是一些周期的性的信號(hào)，所以在程序設(shè)計(jì)中采用這兩種方法進(jìn)行數(shù)字濾波。

2.2 程序功能描述

程序（譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)(第4版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:21-95）主要完成了單片機(jī)對(duì)負(fù)載電流及電壓的自動(dòng)控制功能，即在無(wú)人為干擾的條件下實(shí)現(xiàn)當(dāng)因負(fù)載變化造成的電壓波動(dòng)時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出指令通過(guò)閉環(huán)控制將負(fù)載電壓穩(wěn)定在8±0.4V。同時(shí)，可以使單片機(jī)完成在一定范圍內(nèi)按任意比例對(duì)電流進(jìn)行分配。且若電流超出安全范圍（大于4.5A）時(shí)，單片機(jī)可發(fā)布指令實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能。

（1）程序設(shè)計(jì)思路：程序的設(shè)計(jì)思路是查詢(xún)方式。

步驟1：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理。包括單片機(jī)中引腳分配的初始化，以及對(duì)晶振、串口、液晶屏、PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊的初始化等。

步驟2：開(kāi)始采樣后，首次過(guò)流檢測(cè)，要求PWM波的占空比應(yīng)為30%。

步驟3：A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓進(jìn)行采樣，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓，當(dāng)電壓調(diào)控在程序設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行下一步，即電流控制。否則，程序不停地調(diào)節(jié)電壓，通過(guò)調(diào)用PWM波發(fā)生函數(shù)，通過(guò)改變PWM的頻率來(lái)逐步調(diào)節(jié)電壓至設(shè)定的范圍。

步驟4：電流的控制。對(duì)輸出電流采樣后，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，差值轉(zhuǎn)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(jīng)介紹）。

步驟5：電流控制完成后程序返回至過(guò)流檢測(cè)重新以查詢(xún)的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(hào)參數(shù)的理論計(jì)算

在如圖所示的Buck電路中，當(dāng)t = 0時(shí)，i0以指數(shù)曲線(xiàn)的規(guī)律上升，此時(shí)MP導(dǎo)通，Vin向負(fù)載供電。而當(dāng)t = t1時(shí)，i0會(huì)以指數(shù)曲線(xiàn)的規(guī)律下降，這時(shí)MP關(guān)斷，i0經(jīng)VD續(xù)流，u0近似為零，為使i0連續(xù)且脈動(dòng)小，通常使L值較大。

圖3 BUCK變換器基本電路結(jié)構(gòu)

若要使L中的電流由最小值ILmin變?yōu)樽畲笾礗Lmax，需控制信號(hào)使MP導(dǎo)通，若要使L中的電流從最大值ILmax變?yōu)樽钚≈礗Lmin，則需要控制信號(hào)使MP截止。因此，分析可得輸入輸出有如下關(guān)系：

式中：ton—開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間toff—開(kāi)關(guān)截止時(shí)間

T —開(kāi)關(guān)管工作周期

D —占空比。

式中：n—單片機(jī)產(chǎn)生PWM波的位數(shù)，N—單片機(jī)控制值。

由于PWM波選用8位時(shí)可獲得更高的頻率，其計(jì)算公式如下：

其中f單片機(jī)為單片機(jī)的自身頻率25.4MHz，n為單片機(jī)產(chǎn)生PWM波的位數(shù)，故可知當(dāng)選用8位PWM波時(shí)，，遠(yuǎn)大于16位PWM波的，當(dāng)采用4分頻時(shí)，采用8位時(shí)的頻率達(dá)到99.2KHz/4=24.8KHz。

故采用8位PWM可使控制更加靈活自如，對(duì)電壓調(diào)節(jié)的精度也整體提高了，使調(diào)節(jié)中電流很大時(shí)電壓跳變的現(xiàn)象緩和，從而更利于DC/DC模塊在通過(guò)電流非常大時(shí)也可得到較準(zhǔn)確的8V電壓。

由上式可知，調(diào)整占空比D，可以調(diào)整輸出電壓的值，并且當(dāng)系統(tǒng)有波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整D，來(lái)保持輸出電壓的穩(wěn)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(guò)流檢測(cè)程序流程圖

2.4 過(guò)流保護(hù)

為了防止電流過(guò)大及電路短路的危險(xiǎn)，需要設(shè)計(jì)電路過(guò)流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，用電流檢測(cè)電路檢測(cè)即時(shí)電流的大小，并將檢測(cè)結(jié)果送入單片機(jī)，用比較器進(jìn)行判斷，當(dāng)電流大于4.5A時(shí)，用單片機(jī)控制其輸出電流為0，過(guò)3秒后繼續(xù)檢測(cè)反饋到單片機(jī)。若此時(shí)電路已正常，電流恢復(fù)到小于4.5A的水平，則電流將單片機(jī)控制其電流輸出為0的程序中斷，電流恢復(fù)到正常水平，即此時(shí)完成了自動(dòng)恢復(fù)功能；若此時(shí)檢測(cè)到電流仍然大于4.5A，則繼續(xù)執(zhí)行使輸出電流為0的程序，3秒后再繼續(xù)檢測(cè)。此過(guò)流保護(hù)及自動(dòng)回復(fù)機(jī)制執(zhí)行流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試儀器及參數(shù)

（1）數(shù)字萬(wàn)用表

型號(hào)：MASTECH MS8261

（2）直流電源

型號(hào)：晶振管直流穩(wěn)壓電源

輸出電壓：直流0-30V

輸出電流：直流0-5A

（3）滑線(xiàn)變阻器電阻負(fù)載

型號(hào)：30Ω,3A

（4）數(shù)字式示波器

型號(hào)：RIGOL DS1102D

3.2 調(diào)試方法與步驟

調(diào)試方法為先分塊調(diào)試，首先測(cè)試幾個(gè)點(diǎn)的波形是否正常，先測(cè)單片機(jī)輸出PWM波形如圖5所示：

圖5 PWM波形

圖6 IGBT柵極波形

通過(guò)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(dāng)前情況下占空比為45.4%。測(cè)完P(guān)WM波形以后，再用示波器測(cè)IGBT柵極波形，如圖6所示，測(cè)其波形和單片機(jī)輸出PWM波吻合。

測(cè)完波形后再分別測(cè)試DC/DC主要組成部分恒壓源模塊、恒流源模塊，并且此時(shí)是用鍵盤(pán)手動(dòng)輸入?yún)?shù)的方法，可通過(guò)單片機(jī)上的小鍵盤(pán)，控制占空比，從而調(diào)整輸出的電壓?；蛴眯℃I盤(pán)輸入指令使其保持分流。分步調(diào)試全部正常后進(jìn)行整體測(cè)試，整體測(cè)試要求實(shí)現(xiàn)在不按鍵的情況下電壓自動(dòng)維持在8V，還要實(shí)現(xiàn)均流。

步驟一：首先，對(duì)恒壓源模塊及恒流源模塊分別進(jìn)行測(cè)試

單片機(jī)（蘆守平,姜瀚文,徐千.基于單片機(jī)控制的程控開(kāi)關(guān)電源研究[J].電源技術(shù)與應(yīng)用,2011(05):208-210;吳瓊,彭保進(jìn).基于ARM的智能數(shù)字開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電源設(shè)計(jì),2010,(12):208-210;魏汝敬,劉劍剛.開(kāi)關(guān)電源節(jié)能原理及現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備改造[J].電源世界,2011(2)）程序?qū)⒑懔髟吹目刂品砰_(kāi)，用鍵盤(pán)將電壓調(diào)制8V左右至少范圍在8V±0.4V之間，用鍵盤(pán)控制其恒壓源生效，此時(shí)就可以任意調(diào)整滑線(xiàn)變阻器負(fù)載大小，觀察電壓變化?？傻玫诫娏?、電壓與電阻的關(guān)系如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)我們可以看出恒壓源模塊當(dāng)負(fù)載變化時(shí)可以穩(wěn)定在8V左右，符合要求。對(duì)于恒流源模塊，可見(jiàn)電流可以穩(wěn)定且實(shí)現(xiàn)了一定比例的分流，而且互相之間滿(mǎn)足歐姆定律，符合題目要求。

步驟二：測(cè)試電流過(guò)大超過(guò)4.5A時(shí)的電路過(guò)流保護(hù)能力及自我恢復(fù)能力。單片機(jī)設(shè)置電流值不斷升高，直至超過(guò)4.5A時(shí)看電路輸出電流變化。

具體現(xiàn)象：當(dāng)電流超過(guò)4.5A時(shí)則電流會(huì)變?yōu)?，并且負(fù)載電壓為0，大約過(guò)3秒鐘重新有電壓電流，若此時(shí)電流仍超過(guò)4.5A，則繼續(xù)維持此動(dòng)作，停電3秒后繼續(xù)檢測(cè)；若此時(shí)電流小于4.5A，則電路正常工作。

步驟三：進(jìn)行整體測(cè)試，在不用鍵盤(pán)輸入的情況下使電壓電流達(dá)到題目預(yù)訂要求，并測(cè)試電源效率。

對(duì)于基本要求第(1)條，在前面的設(shè)計(jì)中都全部達(dá)到。

對(duì)于基本要求第(2)條，測(cè)量得到在調(diào)整負(fù)載時(shí)輸出電壓能夠基本穩(wěn)定在8V左右，符合要求。數(shù)據(jù)記錄如下：

對(duì)于基本要求第(3)條，測(cè)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(cè)量所得負(fù)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(gè)公式，可得出出供電系統(tǒng)效率為：

達(dá)到要求。

對(duì)于基本要求第(4)條，調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓UO=8.1V，兩個(gè)支路電流分別都為，。符合要求。

對(duì)于基本要求第(5)條，當(dāng)電流大于4.41A時(shí)電壓會(huì)自動(dòng)全部為零大約3秒鐘，然后重新恢復(fù)電壓電流，符合要求。

4 結(jié)論

本文是應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，對(duì)本智能型穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和測(cè)試。與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)相比較，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了智能的電壓、電流調(diào)節(jié)。完成Buck電路模型的拓?fù)浞治觯琁GBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，采用簡(jiǎn)單穩(wěn)定的分壓的硬件方法與數(shù)字濾波軟件的方法對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行了真實(shí)的采集。對(duì)于電流的采集是用0.22歐姆、5瓦的電阻，再結(jié)合數(shù)字濾波中的中值濾波與算術(shù)平均值濾波，最終實(shí)現(xiàn)了兩路電流的穩(wěn)定控制。

經(jīng)過(guò)測(cè)試步驟一的測(cè)量數(shù)據(jù)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，該并聯(lián)的DC/DC模塊可以通過(guò)調(diào)節(jié)使負(fù)載電壓調(diào)整至8V±0.4V之間，并且在負(fù)載變化時(shí)仍能將電壓調(diào)至8V±0.4V，并且可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整至電流按比例分配的狀態(tài)。且通過(guò)數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，均流電流可以達(dá)到2A左右，完全符合題目要求。這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都證明單片機(jī)自動(dòng)控制完成這些任務(wù)具有完全可行性，只需編制程序就可實(shí)現(xiàn)題目中自動(dòng)控制的要求。

總之，經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試步驟，本設(shè)計(jì)的作品符合設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，控制精準(zhǔn)，系統(tǒng)可靠，數(shù)字化程度較高。綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。