摘要：传统的开关电源一般以恒流或恒压工作，不能根据负载调节输出电压或电流，本文中，我们设计了一种数字控制的开关电源模块。该电源模块是以TI公司的MSP430为控制核心，通过数字PID调节器控制反馈输出来实现的。首先介绍了该电源模块的工作原理及整体设计方案，其次介绍了部分关键电路的硬件设计，给出了主程序及部分子程序的流程图。与传统的开关电源相比，该电源模块具有体积小、精度高、电路简单、输出电压连续可调等优点。
关键词：单片机；开关电源模块；数字控制；PID调节
开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开关管(MOSFET、IGBT)开通和关断的时间比率来稳定输出电压的一种新型稳压电源，目前已广泛地应用于许多领域中。随着科学技术的发展和电子产品的不断涌现，许多电子产品对电能质量的要求越来越高，一些原始电能已经无法满足用户的需求，必须经过电能转换的处理后才能使用。传统的开关电源的主要控制方式是采用脉宽调制集成电路的输出PWM脉冲，采用模拟PID调节器进行脉宽调制，这种控制方式的缺点为：体积庞大，电路结构复杂，外界不能及时地对其工作状态进行调节，且一般以恒流或恒压工作，也不能根据负载调节输出电压或电流。
为了解决上述控制方式的缺点，文中设计了一种以TI公司的高性能MSP430单片机为控制核心的开关电源模块，根据设定值和电源输出电压之差，由单片机直接对开关电源模块的主电路实现数字控制。本开关电源模块控制核心是MSP430F449单片机，它是TI公司生产的功能非常强大的单片机，其低功耗的优点满足了电源模块高效率的要求。本电源模块可以方便外界及时地对其工作状态进行调整，并且能根据负载进行自动调节。
1 工作原理和总体设计方案
1．1 工作原理
本开关电源模块是由调压电路和单片机控制系统等部分组成，调压电路改变输出电压，单片机控制系统负责处理采集到的电信号，并反馈给调压电路。本开关电源模块采用数字控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID调节器控制反馈输出，从而控制开关电源模块的输出。由MSP430单片机采用软件控制PID调节和反馈输出。
1．2 总体设计方案
整个系统由调压电路、辅助电源、采样电路以及单片机控制系统等几部分组成。总体设计框图如图1所示。
从图1中可以看到，电能从左侧输入，右侧输出。辅助电源给单片机供电。利用MSP430F449单片机高速ADC转换通道实时采集输出电压与输出电流，并与设定值比较，根据采集值和设定值之间的误差进行PID调节。
2 硬件设计
2．1 调压电路及采样电路设计
如图2所示，调节电路由U1、功率MOSFET等构成。U1是TPS40304，是调节电路的核心，该芯片提供了各种可编程功能，包括软启动设计、过电流保护、环路补偿，该芯片的2号引脚是软启动编程引脚，连接到GND的电容CSS为软启动提供时间延迟。相比传统的普通的整流二极管，导通电阻低的MOSFET整流管压降低，在低压大电流场合，可以降低损耗，大大的提高了电源的效率。
采样电路由U2、R3、R4、RR1和RR2构成。U2是MAX9934电流检测放大器，MAX9934的RS+和RS-引脚接在R3的两端，该芯片的OUT引脚的输出电流通过电阻R4产生输出电压，该输出电压与R3两端的电压成正比，反应了负载电流，该电压由MSP430单片机采样。从电阻RR1和RR2的中间取得电压信号传给MSP430单片机的一个AD引脚，由单片机采样，检测输出电压。
2．2 键盘控制和液晶显示模块
通过键盘可以实现电压参考值的设定，输出电压和电流的切换显示。由于MSP430F449单片机带有内部LCD驱动模块，可以直接将液晶显示模块连接在芯片的驱动端口，显示电压和电流的采集值。也可以取消键盘和显示模块，用MSP430F449自带的I2C接口，输入和输出电压与电流值，不仅可以减小体积，方便集成化，还可以接收其他电路传递来的控制信号。
2．3 辅助电源
本开关电源模块还设有辅助电源部分，提供系统所需电源。如图3所示。
3 软件设计
软件主要由主程序和中断服务程序组成，主要用来实现键盘设定基准电压、液晶显示、A／D转换、数字PID调节和反馈信号产生等功能。本设计主要是采用软件方式来实现开关电源模块的数字控制。
3．1 主程序设计
本系统的主程序流程图如图4所示。主程序在完成系统初始化后，输入设定电压值并存入寄存器，按下启动按钮后，启动电源系统。在设定启动时，PWM输出占空比为0．1％。电源系统启动后，调用A／D转换子程序并读入设定值，将采集到的电压值与设定的电压值相比较后，给出一个反馈信号到调压电路，并通过显示子程序显示输出电压。
3．2 A／D转换部分子程序
MSP430F449的ADC12模块能够实现12位精度的模数转换，A／D转换部分程序比较简单，程序只需要完成选取模拟输入通道；配置控制寄存器ACON；读取A／D转换后的数值，再返还数据这3个功能。
3．3 PID调节子程序
PID调节由单片机来控制，单片机对采集到的电压值与设定值相减得到的误差来计算调整量，用以控制开关的占空比。当得到的偏差与上次积分符号相反时，积分清零。因为若符号相反，说明积分起了反作用，故把积分项清零。PID控制流程图如图5所示。
4 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模块。该电源模块精度高，电路简单，操作灵活，能根据不同的负载，不同的环境情况，由程序自动改变单片机参数，控制调节电路输出的电压与电流，还能与外界通信，由外电路控制输出电压与电流。