基于ATMEGA 16的开关电源设计与制作

薛秀云，陈华宁，翟颂彬，张丞

（华南农业大学工程学院，广东广州510642）

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源[1]。开关稳压电源具有效率高、稳压性能好、保护措施完善等优点[2]，由于控制信号一般通过精密稳压器TL4331、光耦等获得，使输出电压很难做到宽范围内调节，特别是不能输出低电压（＜3 V）[3－5]。将ATMEGA16单片机应用于电源的控制，可以提高开关电源的输出电压控制精度，同时利用ATMEGA16的计算功能，通过软件编程，采用反馈控制使得电压输出趋于恒定[6]。

1 电源硬件电路设计与计算

1.1 系统总体设计

系统组成框图如图1所示。市电经整流滤波电路输出直流，采用EMI共模滤波器抑制市电中的干扰；+5 V单片机供电电源由MC34063构成；系统输出电压经反馈电路送到单片机ATMEGA16的A/D口，单片机根据输出电压的变化，对DC－DC进行PWM控制，使输出电压趋于稳定；同时，系统的显示及键盘控制也由单片机ATMEGA16实现。

1.2 整流滤波电路

图1 系统组成框图Fig.1Frame of system composing

整流、滤波电路主要是由整流变压器（30 W，18 V）、EMI滤波器、RS207整流桥（2 A）和滤波电容2 000 μF组成。EMI滤波器主要作用是滤除开关噪声和由输入线引入的谐波。滤波器中磁心上的绕组采用同向绕制，因流经绕组的交流电流是反相的，所以两股相反方向的电流在磁心内产生的交流磁通量相互抵消，从而达到抑制共模干扰的目的。

1.3 单片机供电电源

为提高电源的效率，利用芯片MC34063A外接简单元件构成降压电路，输出5 V电压为单片机ATMEGA16提供电源，电路如图2所示。

其中R1为限流电阻、C1为定时电容、C2为输出滤波电容、R2和R3为设定输出电压大小的电阻，计算公式如式（1）所示。Rst为限流电阻，当限流电阻的电压达到330 mV时，电流限制电路开始工作。计算公式如式（2）所示，其中IMax_out为最大输出电流。

图2 单片机供电电源电路Fig.2Power supply circuit of the single chip microcomputer

由以上两式可知，当输出电压5 V时，Rst、R2和R3的取值分别为0.5 Ω、1.2 kΩ、3.6 kΩ。

1.4 键盘及显示电路

输入及显示电路采用4个按键，利用功能切换完成对输出电压的设定及显示切换。显示部分采用共阳极数码管动态显示，如图3所示。单片机ATMEGA 16采用内部8 MHz晶振。

图3 键盘及显示电路Fig.3Circuit of the keyboard and display

1.5 DC-DC电路

DC－DC电路如图4所示。该模块为SR－Buck变换器，开关管采用MOSFET管IRF540。IRF540的最大漏极电流ID为33 A，导通电阻RDS（on）为44 mΩ，漏源击穿电压VDSS为100 V。MOSFET是电压控制电流源，为了驱动MOSFET进入饱和区，需要在栅源极间加上足够的电压，以使漏极能流过预期的最大电流，因此采用三极管对IRF540进行驱动。主开关管Q6用NPN三极管Q5驱动，同步整流管Q9用PNP三极管Q10进行驱动。

滤波电路采用LC串联电路，由1个220 μH的电感和2个并联的470 μF的ESR电容组成，0.1 μF的陶瓷电容用于吸收输出端的高频分量。

图4 DC－DC开关电路Fig.4Circuit of DC－DC switch

1.6 输出电压采样电路

将50 kΩ电位器（电压采样电阻）的两端并在电源输出端（Vo端与地端），中间引脚接到单片机的ADC0脚。实现A/D对输出电压的采样，电路如图5所示。

图5 电压采样电路Fig.5Circuit of voltage sampling

2 反馈程序设计

系统通过采集输出电压值，与设定输出电压值进行比较，根据偏差的大小和极性控制图4中PWM端信号的占空比，进而改变开关管的导通时间，实现电压闭环负反馈[7]。为了避免由于频繁动作所引起的振荡，软件中应用了带死区的PID控制算法。

程序流程图如图6所示。通过A/D检测得到实际输出电压c（k），将设定电压r（k）与实测电压c（k）比较，得本次偏差值e（k）。当|e（k）|≤ε（ε为死区偏差）时，不进行调节；当e（k）不在死区范围时即进行PID调节，计算公式如式（3）所示。

式中：ΔP（k）为输出调整量，e（k）为本次偏差，e（k－1）为上次偏差，e（k－2）为上两次偏差，P、I、D分别为比例系数、积分系数、微分系数，经实验设定P、I、D分别取27、3、1。

3 电源功能测试结果

在设定输出电压分别为3 V、5 V和9 V时，经实验测定电源的性能指标参数如下：

1）输出电压0～9.9 V可调，步进为0.1 V，输出电流可达1.5 A；

2）电压控制精度范围为3%～0.71%；

3）当输出电压9 V、输出电流1.5 A时，电源的效率为78.78%。

4）当输出电压从3 V到9 V变化时，负载调整率为2.7%～1.1%；

5）满载时，电压调整率小于0.67%；

6）纹波电压占输出电压的百分比0.73%～0.62%。

图6 带死区的PID控制程序流程图Fig.6Control programme flow chart with died zone

4 结论

由以上测试结果可知，电源输出电压由0～9.9 V步进可调，具有较高的精度和效率。若减小死区偏差ε的值，可以进一步提高电源的恒压特性及控制精度；当输出功率低时，因电源单片机控制及LED显示模块会消耗一定的功率，导致电源的效率降低，若采用液晶显示及PCB板布线，可望进一步提高电源效率和降低纹波干扰。

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[3]王卫星.单片机原理与接口技术[M].北京：科学出版社，2010.

[4]梁建华.基于AT89C51单片机的数控开关稳压电源[J].电工技术，2004（12）：54－56.LIANG Jian-hua.Numerical control switch power supply based on single chip AT89C51[J].Electric Engineering，2004（12）：54－56.

[5]刘楚湘，杜勇，尤双枫.基于单片机的数控直流稳压电源设计[J].新疆师范大学学报：自然科学版，2007，26（1）：50－52.LIU Chu-xiang，DU Yong，YOU Shuan-feng.The design of a digital control DC regulated power supply based on single chip[J].Journal of Xinjiang Normal University:Natural Sciences Edition，2007，26（1）：50－52.

[6]贺洪江，李宪虹，阎舒静.一种高精度数控直流稳压电源的设计[J].河北建筑科技学院学报，2000，17（3）：36－39.HE Hong-jiang，LI Xian-hong，YAN Shu-jing.The design of a high-Precision DC stabilized voltage source digital controlled[J].Journal ofHebei Institute of Architectural Science and Technology，2000，17（3）：36－39.

[7]刘慧媛，杨俊华，陈少华，等.矩阵变换器空间矢量调制的闭环控制研究[J].陕西电力，2010，38（1）：11－16.LIUHui-yuan，YANGJun-hua，CHENShao-hua，etal.Research of close-loop control strategy for matrix converter based on space vector modulation[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（1）：11－16.