ATMEGA16實現開關電源制作

2021-04-26 ryder

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。以ATMEGA16單片機為控制核心，設計并制作了具有輸出電壓步進可調的開關電源。其硬件由整流、濾波、單片機供電電源、DC-DC變換及LED顯示組成。經試驗測定，輸出電壓0~9.9V步進0.1V可調，輸出電流1.5A,當輸出電壓9V、輸出電流1.5A時，電壓調整率小于0.67%,效率可達78.78%.

1電源硬件電路設計與計算

1.1系統總體設計

系統組成框圖如圖1所示。市電經整流濾波電路輸出直流，采用EMI共模濾波器抑制市電中的干擾;+5V單片機供電電源由MC34063構成;系統輸出電壓經反饋電路送到單片機ATMEGA16的A/D口，單片機依據輸出電壓的變化，對DC-DC進行pWM控制，使輸出電壓趨于穩定;同時，系統的顯示及鍵盤控制也由單片機ATMEGA16實現。

圖1系統組成框圖

1.2整流濾波電路

整流、濾波電路緊要是由整流變壓器(30W,18V)、EMI濾波器、RS207整流橋(2A)和濾波電容2000μF組成。EMI濾波器緊要用途是濾除開關噪聲和由輸入線引入的諧波。濾波器中磁心上的繞組采用同向繞制，因流經繞組的交流電流是反相的，所以兩股相反方向的電流在磁心內出現的交流磁通量相互抵消，從而達到抑制共模干擾的目的。

1.3單片機供電電源

為提高電源的效率，利用芯片MC34063A外接簡單元件構成降壓電路，輸出5V電壓為單片機ATMEGA16供應電源，電路如圖2所示。

圖2單片機供電電源電路

其中R1為限流電阻、C1為按時電容、C2為輸出濾波電容、R2和R3為設定輸出電壓大小的電阻，計算公式如式(1)所示。Rst為限流電阻，當限流電阻的電壓達到330mV時，電流限制電路開始工作。計算公式如式(2)所示，其中IMax_out為最大輸出電流。

由以上兩式可知，當輸出電壓5V時，Rst、R2和R3的取值分別為0.5Ω、1.2kΩ、3.6kΩ。

1.4鍵盤及顯示電路

輸入及顯示電路采用4個按鍵，和用功能切換完成對輸出電壓的設定及顯示切換。顯示部分采用共陽極數碼管動態顯示，如圖3所示。單片機ATMEGA16采用內部8MHz晶振。

圖3鍵盤及顯示電路

1.5DC-DC電路

DC-DC電路如圖4所示。該模塊為SR-Buck變換器，開關管采用MOSFET管IRF540.IRF540的最大漏極電流ID為33A,導通電阻RDS(on)為44mΩ，漏源擊穿電壓VDSS為100V.MOSFET是電壓控制電流源，為了驅動MOSFET進入飽和區，要在柵源極間加上足夠的電壓，以使漏極能流過預期的最大電流，因此采用三極管對IRF540進行驅動。主開關管Q6用NpN三極管Q5驅動，同步整流管Q9用pNp三極管Q10進行驅動。

圖4DC-DC電路

濾波電路采用LC串聯電路，由1個220μH的電感和2個并聯的470μF的ESR電容組成，0.1μF的陶瓷電容用于吸收輸出端的高頻分量。

1.6輸出電壓采樣電路

將50kΩ電位器(電壓采樣電阻)的兩端并在電源輸出端(V0端與地端)，中間引腳接到單片機的ADC0腳。實現A/D對輸出電壓的采樣，電路如圖5所示。

圖5輸出電壓采樣電路

2反饋程序設計

系統通過采集輸出電壓值，與設定輸出電壓值進行比較，依據偏差的大小和極性控制圖4中pWM端信號的占空比，進而改變開關管的導通時間，實現電壓閉環負反饋。為了戒備由于頻繁動作所引起的振蕩，軟件中使用了帶死區的pID控制算法。

程序流程圖如圖6所示。通過A/D測試得到實際輸出電壓c(k)，將設定電壓r(k)與實測電壓c(k)比較，得本次偏差值e(k)。當|e(k)|≤ε(ε為死區偏差)時，不進行調節;當e(k)不在死區范圍時即進行pID調節，計算公式如式(3)所示。

圖6帶死區的pID控制程度流程圖

△p(k)=pxe(k)-Ixe(k-1)+Dxe(k-2)(3)

式中：△p(k)為輸出調整量，e(k)為本次偏差，e(k-1)為上次偏差，e(k-2)為上兩次偏差，p、I、D分別為比例系數、積分系數、微分系數，經試驗設定p、I、D分別取27、3、1.

3電源功能探測結果