中國礦業(yè)大學銀川學院 張鐵山 任 眾

軟件系統(tǒng)是開關電源重要的組成部分，本文是對穩(wěn)壓型開關電源軟件系統(tǒng)的設計。軟件系統(tǒng)采用逐步逼近目標值的算法對輸出電流進行調節(jié)，通過對電源系統(tǒng)的輸出量實時檢測、采樣，對電源系統(tǒng)的輸出進行數(shù)字精確控制，根據(jù)不同的負載輸出需求，電源系統(tǒng)自動調節(jié)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(tǒng)測試可得，實現(xiàn)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(lián)后對同一負載的供電，電源系統(tǒng)的效率也超出了設計的目標值的。

經(jīng)過前期研究，本課題組設計一款能夠智能控制開斷的穩(wěn)壓型開關電源（韋聰穎,張波.開關電源并聯(lián)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(tǒng)，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(jié)、系統(tǒng)的保護等，所設計的軟件系統(tǒng)需要包括以下內容。

（1）系統(tǒng)的初始化、PWM信號的產(chǎn)生和顯示部分。

（2）對電壓的調節(jié)控制。

（3）對電流的調節(jié)控制。

（4）系統(tǒng)的保護。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 信號采樣與數(shù)字濾波

電壓、電流是整個設計的被控對象，要實現(xiàn)電壓、電流的穩(wěn)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(shù)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(shù)字濾波也叫軟件濾波，是把A/D轉換得到的數(shù)據(jù)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(tǒng)的精準性和穩(wěn)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(jié)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(xiàn)[D].沈陽:遼寧大學,2011;馬駿,杜青.一種開關電源并聯(lián)系統(tǒng)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(xù)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(shù)n的取值與樣本平滑度和靈敏度有關。n增大，可以提高數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)當因負載變化造成的電壓波動時，單片機會發(fā)出指令通過閉環(huán)控制將負載電壓穩(wěn)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(fā)布指令實現(xiàn)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(tǒng)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(chǎn)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(jié)系統(tǒng)的輸出電壓，當電壓調控在程序設定的范圍內時，執(zhí)行下一步，即電流控制。否則，程序不停地調節(jié)電壓，通過調用PWM波發(fā)生函數(shù)，通過改變PWM的頻率來逐步調節(jié)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(jīng)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(tǒng)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(shù)的理論計算

在如圖所示的Buck電路中，當t = 0時，i0以指數(shù)曲線的規(guī)律上升，此時MP導通，Vin向負載供電。而當t = t1時，i0會以指數(shù)曲線的規(guī)律下降，這時MP關斷，i0經(jīng)VD續(xù)流，u0近似為零，為使i0連續(xù)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?yōu)樽畲笾礗Lmax，需控制信號使MP導通，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(chǎn)生PWM波的位數(shù)，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(chǎn)生PWM波的位數(shù)，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(jié)的精度也整體提高了，使調節(jié)中電流很大時電壓跳變的現(xiàn)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(tǒng)有波動時，可以通過調整D，來保持輸出電壓的穩(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(xù)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(xù)執(zhí)行使輸出電流為0的程序，3秒后再繼續(xù)檢測。此過流保護及自動回復機制執(zhí)行流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試儀器及參數(shù)

（1）數(shù)字萬用表

型號：MASTECH MS8261

（2）直流電源

型號：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）滑線變阻器電阻負載

型號：30Ω,3A

（4）數(shù)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?yún)?shù)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?；蛴眯℃I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(xiàn)在不按鍵的情況下電壓自動維持在8V，還要實現(xiàn)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(shù)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(jié)能原理及現(xiàn)網(wǎng)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?？傻玫诫娏?、電壓與電阻的關系如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)我們可以看出恒壓源模塊當負載變化時可以穩(wěn)定在8V左右，符合要求。對于恒流源模塊，可見電流可以穩(wěn)定且實現(xiàn)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(xiàn)象：當電流超過4.5A時則電流會變?yōu)?，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(xù)維持此動作，停電3秒后繼續(xù)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(wěn)定在8V左右，符合要求。數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wěn)壓開關電源的軟件系統(tǒng)進行了設計和測試。與傳統(tǒng)的開關電源系統(tǒng)相比較，從技術上實現(xiàn)了智能的電壓、電流調節(jié)。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(wěn)定的分壓的硬件方法與數(shù)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(shù)字濾波中的中值濾波與算術平均值濾波，最終實現(xiàn)了兩路電流的穩(wěn)定控制。

經(jīng)過測試步驟一的測量數(shù)據(jù)我們會發(fā)現(xiàn)，該并聯(lián)的DC/DC模塊可以通過調節(jié)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(jié)調整至電流按比例分配的狀態(tài)。且通過數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，均流電流可以達到2A左右，完全符合題目要求。這些實驗現(xiàn)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(xiàn)題目中自動控制的要求。

總之，經(jīng)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(tǒng)可靠，數(shù)字化程度較高。綜上所述，本設計達到設計要求。