基于高性能单片机的功率直流开关电源的设计

4.2 IGBT 驱动电路设计

为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制方式调节开关管的工作状态。根据电压控制算法(可采用改进的PID 控制算法)设置单片机产生不同占空比的方波信号，经过光电耦合器控制开关器件，调整电路输出设定的电压值。要使IGBT 正常工作，合适的驱动是至关重要的。驱动电路的任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。同时驱动电路通常还具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能。本系统采用富士电机公司的EXB系列的EXB841 型集成驱动器对IGBT 进行驱动[4]。

4.3 传感器输入通道与A/D 转换

系统通过电压传感器采集电压信号，经过A/D 转换被单片机接收。本系统采用CHV 系列霍尔电压传感器采集电压，采用μpsd3354 单片机内部的A/D转换器进行模数转换，线路连接简单，精度最大为5mV。基本能满足控制要求。

4.4 键盘和显示电路

功率直流电源的键盘和显示电路部分都装在操作面板上，由单片机控制。本系统采用自制4×4 矩阵键盘，以单片机的PB4～PB7 做输出线，PB0～PB3 做输入线。显示部分采用动态数码显示，以专用的数码管显示驱动芯片MAX7219进行驱动。

4.5 其他辅助电路

为了使功率直流电源能够可靠、安全的工作。电源系统中还有一些辅助电路，过热、过流和短路保护等。另外，还设有辅助电源部分，提供系统所需电源。

5. 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断服务程序组成，主要用来实现以下功能：键盘扫描、数码显示、A/D 转换、数字PID 调节和PWM 波形产生等。键盘扫描和数码显示这里不作介绍，本设计主要是采用软件方式来实现功率直流电源的数字控制。

5.1 主程序设计

本系统主程序流程图如图4所示。主流程在完成各种变量和I/O初始化后，可以输入期望电压值并存入寄存器，当按下启动按钮后，启动电源系统，这里设定启动时，使PWM输出占空比为最小值，即0.1％。启动后，调用A/D转换子程序并读入键值，将反馈电压值与给定电压值相比较后，调用PID调节运算，更新驱动波形的占空比，然后调用PWM产生子程序输出PWM信号，并通过显示子程序显示输出电压。

图4 主程序流程图                图5 PID调节子程序流程图

5.2  A/D转换部分子程序

直接利用单片机10位ADC口，A/D转换部分程序比较简单，程序只要完成如下功能：选择模拟输入通道，并预制分频数；配置控制寄存器ACON；读取A/D转换后的数值，返还ADTA0、ADTA1中的数据。

5.3 PID调节子程序

PID调节由单片机来实现，单片机对给定信号与反馈信号相减得到的误差来计算调整量，用以控制开关的占空比。算法中，做了一点修正，当偏差与积分符号相反时，积分清零。因为若符号相反，说明积分项起了反作用，故把积分项清零[5]。PID控制流程图如图5所示，参数KP、KI、KD在调试过程中设定。

6. 结束语

本系统将开关电源与单片机系统结合起来，设计了一种输出电压连续可调的功率开关电源。该电源精度高，电路简单，操作灵活，具有良好的应用前景。单片机控制直流电源符合电力电子新技术产品向"四化"方向发展的要求，即应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化。