基于MSP430的纹波功率电源设计

李龙龙，李国富，陈　没，李永亮，刘之方

（中国电力科学研究院，北京 100192）

基于MSP430的纹波功率电源设计

李龙龙，李国富，陈没，李永亮，刘之方

（中国电力科学研究院，北京 100192）

直流输电系统中避雷器的老化试验需要一种能产生特殊纹波波形的高压试验电源，为此设计了一种程控纹波功率电源。该电源基于MSP430单片机实现总体控制，采用D/A转换和幅值控制，生成高精度、稳定可靠的试验纹波，然后通过功率放大器进行电压和功率放大，通过采样模块采集输出波形，完成反馈闭环。介绍了纹波功率电源的硬件原理和软件结构，试验结果表明，该电源可以无失真地生成阀电压和桥电压纹波波形，输出电压有效值最大为60 V，输出电压稳定度在1%以内，频率稳定度在0.5%以内，可以满足避雷器老化试验对纹波波形的要求。

纹波信号发生器；MSP430；老化试验；功率电源

0　引言

特高压直流避雷器是特高压直流输电工程中必不可少的设备。相对于交流输电系统避雷器而言，高压直流输电避雷器的使用工况更为复杂。直流避雷器根据安装位置的不同，承受各种不同波形的长期运行电压，由直流分量、交流分量和各种高频分量叠加组成，特别是阀避雷器和桥避雷器，其电压波形中既含有显著的直流分量，也有一个谐波电压十分丰富的纹波分量，如图1所示[1-3]。

图1　6脉动换流器阀电压和桥电压波形

直流避雷器在各种波形下的功率损耗特性不同，老化性能具有很大的差别，为了高压直流输电工程的安全可靠运行，必须对高压直流避雷器的老化性能进行严格考核，最直接有效的方法是应用避雷器在实际高压直流输电工程中承受的长期运行电压进行加速老化试验[5]。

目前国内外比较通用的做法是采用缩小比例的背靠背高压直流输电系统产生相关的试验波形。但是试验表明，在加上避雷器负载后，试验电压波形畸变严重，而且该试验装置控制复杂，成本高，无法直接应用于生产过程中的避雷器老化试验。为了保证特高压直流输电工程的可靠运行，提高高压直流输电系统避雷器老化性能试验的可靠性，在有无避雷器负载的情况下都能保证电压波形稳定可靠，没有畸变，需要采用数字化方法研制一种新的能够产生所需纹波波形的大功率试验电源。

1　系统结构

试验电源由纹波信号发生器、功率放大器、采样显示、升压变压器组成，如图2所示。微处理器负责硬件总体控制，接收上位机控制系统的控制命令。D/A数模转换器负责将纹波数字量转换成模拟量，输出纹波信号。幅值控制模块负责控制纹波输出电压的大小，功率放大器进行纹波信号的功率放大，从而驱动变压器进行再一次电压放大。采样模块负责采集功率放大器的输出电压波形，将采样得到的波形量发送到上位机控制系统，进行波形关键参数对比计算，从而实时修正输出结果。纹波功率电源是试验电源的核心组成部分，对整套电源的可靠运行起着关键作用。

图2　试验电源系统结构图

2　系统硬件设计

2.1纹波信号发生器

国内生产的信号发生器大部分利用分立元件及模拟集成电路构成，可靠度和准确度有限，一般只能产生固定波形如正弦波、三角波、方波等，无法满足实验要求[5]。本文采用基于单片机设计的纹波信号发生器，其优点是输出波形可调，频率稳定，电压精度高。

纹波信号发生器主要分为控制电路、纹波输出电路、幅值控制电路三部分。控制电路以MSP430F5438单片机为核心，加上一些外围电路组成，主要完成通信、数据接口、控制波形输出电路和幅值控制电路的正常工作等功能。

2.1.1纹波输出电路

纹波输出电路的功能是将离散的数字量转换为连续的模拟量，数模转换的瞬间毛刺、非线性、数字噪声等是影响纹波发生器性能的主要因素[4]。同时，由于数模转换速度对换流器换相时的电压跃变时间具有重要影响，因而在选择数模转换芯片时需要综合考虑转换时间和转换精度对纹波发生器性能的影响。本文选用了DAC0800数模转换芯片，它是电流输出型的高速8位D/A转换芯片，电流输出建立时间仅为100 ns，使用简单方便。

DAC0800和一级放大器构成电压对称偏移的双极性输出数模转换电路，电路原理图如图3所示。

运算放大器OP1的作用为将DAC0800的输出电流转换为对应的输出电压Vout，OP2为电压跟随器，用于防止由于后级电路输入阻抗的变化而导致的输出电压信号畸变。当R1=R2=R3=R4时，输出电压Vout与DAC0800的输入纹波编码D的关系为：

图3　纹波生成电路原理图

根据公式可以得到DAC0800输入数字量 D和输出电压 Vout之间的关系如表1所示。MSP430中地址计数器在时序脉冲下顺序读取数据存储器中的纹波波形数据，波形数据在CPU的控制下通过I/O口发送到 DAC0800进行数字量向模拟量的转换，当地址计数器溢出后，刚好读取完一个周期的数据，然后进行下一次循环。

表1　输入数字量与输出电压的关系

2.1.2幅值控制电路

幅值控制电路的目的是根据需要随时调节纹波输出电压的大小。根据表1可知，通过改变数模转换模块中DAC0800的参考电压 VREF可以达到改变输出电压 Vout的目的。可采用如图3所示相同的电路作为幅值控制电路，输出电压作为纹波生成模块中DAC0800的参考电压。

2.2采样电路

采样电路的主要功能是采集功率放大器输出电压，进行模数转换后将数字量通过MSP430发送至上位机进行数据处理，同时发送到串口屏实现波形显示。采样电路主要包括纹波电压调节电路、A/D转换芯片及其控制电路两部分。

2.2.1A/D采样芯片

由于功率放大器输出电压波形复杂，因而A/D芯片需要较高的采样率和采样速度才能准确还原，综合考虑后本文采用AD1674作为核心模数转换芯片。AD1674的控制功能真值表见表2。

表2　AD1674功能真值表

AD1674模拟量输入端有两种输入方式，本文选取单极性输入方式，模拟量输入范围选取为 10 V，则模拟量输入电压值Vin与转换结果D的对应关系如下：

2.2.2纹波电压调节电路

纹波电压调节电路的主要目的是保证输入电压值在0~10 V之间，不至于超过AD1674模拟量输入端的电压限值。纹波电压调节电路的原理见图4。

图4　纹波电压调节电路

功率放大器输出端 VS1和 VS2分别通过 10:1的电阻分压器（虚线框内）降压后作为纹波电压调节电路的信号输入，经过差分放大电路，输出电压 Vo。理想情况下，根据放大器的“虚短”和“虚断”的计算原则，令R1=R2=R3=R4，可得：

令R5=R6，从而Vout点的电压值为：

OP2为电压跟随器，避免后级电路阻抗变化影响纹波电压值的准确度。R7是限流电阻，D1和D2作为保护二极管，保证AD1674的输入电压Vin始终不超过其限值。

3　系统软件设计

3.1下位机软件

MSP430硬件程序总体结构如图5所示，软件通过中断方式完成纹波信号的生成和幅值控制。首先初始化各种全局变量，初始化时钟、通信和定时器，然后开中断进入死循环，等待中断到来执行相应的中断子程序。本设计中有2个如图6所示的中断子程序，分别为数据接收中断和定时器中断。数据接收中断用来接收上位机通过串口发送的波形数据和幅值数据。定时器中断按照通用定时器设定的定时周期，通过I/O口输出纹波波形数据到数模转换器。

图5　MSP430硬件程序总体结构

3.2上位机软件

本系统中，上位机软件的功能是通过配置输入波形参数，计算出试验波形的数字量和幅值量，并将数字量发送到下位机控制芯片MSP430中。用户在使用上位机控制程序时，只需要在界面上输入所需要的波形参数：参考电压、荷电率、触发角、换相角，就可以自动计算出相应的波形数据，并与下位机进行通信和设置。

图6　中断程序流程图

4　实验结果

本文进行了输出电压测试，测试波形如图7和图8所示，输出电压有效值最大为 50 V，从图中可看出波形没有畸变，非线性失真小。

图7　阀电压输出波形

图8　桥电压输出波形

在0~50 V范围内输出一组给定电压，阀电压和桥电压输出有效值的测量数据如表3和表4所示。

表3　阀电压输出电压测试结果

从表中可以看出，阀电压和桥电压的电压稳定度都在1%以内，D/A转换存在一定的误差，纹波信号发生器受外界噪声的干扰从而引起输出电压的波动等原因是造成输出电压产生误差的重要因素。输出频率的波动主要受晶振稳定性的影响。

表4　桥电压输出电压测试结果

5　结语

本文设计了一套基于 MSP430单片机的用于避雷器老化试验的纹波功率电源，相对于传统的波形生成方法，该电源可根据波形参数在上位机中任意设置所需的试验波形，输出电压任意调节，电压波形无畸变精度高，并可在功率放大器输出侧加升压变压器进一步升压，输出电压最高可达上千伏。该电源运行稳定，输出功率大，完全可以满足避雷器阀片老化试验的相关要求。另外，只要修改上位机的波形数字量生成算法，该电源就可以成为能产生任意波形的电压功率源，实用价值高。

[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].第 2版.北京：中国电力出版社，2009：29-33.

[2]陈立栋，林毅，康鹏，等.特高压直流避雷器试验研究[J].电力技术，2009(12)：58-62.

[3]刘振亚.特高压直流电气设备[M].第 1版.北京：中国电力出版社，2009：97-108.

[4]杨勇，李国富，刘之方.等.一种工频正弦平顶波功率电源的研究[J].电子技术应用，2013，39(9)：63-65.

[5]王玉平，张一鸣.特高压直流避雷器的技术特点与分析[J].电力设备，2007，8(3)：15-19.

[6]任保宏，徐科军.MSP430单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[7]PACS-L：DAC0800/DAC0802 8-Bit Digital-to-Analog Converters[EB/OL].Dallas，USA：Texas Instruments，2013 [1999].http://www.ti.com.cn/product/cn/dac0800.

[8]PACS-L：AD1674 12-Bit 100kSPS A/D Converter[EB/OL].Norwood，USA：Analog Devices，REV.C.http://www.analog.com/cn/search.html?q=AD1674.

Design of ripple signal power supply based on MSP430

Li Longlong，Li Guofu，Chen Mo，Li Yongliang，Liu Zhifang
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

Aging test of arrester in DC transmission system needs a high voltage test power supply which can generate a kind of special ripple waveform.For this requirement,a programmable ripple waveform power supply is designed.The power supply uses MSP430 as control MCU,and uses D/A converter and amplitude control to produce high-precision reliable test ripple waveform, then uses power amplifier to amplify the voltage and power.The paper introduces the hardware principle and software structure in detail.Experimental results show that,the power supply can generate valve voltage and bridge voltage accurately,the maximum output voltage can up to 60V,and voltage stability is less than 1%,the frequency stability is less than 0.5%.The power supply can meet the test requirement of ripple waveform for arrester aging test.

ripple signal generator；MSP430；aging test；power supply

TN86

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.034

2016-02-27)(

2016-03-11)

李龙龙(1988-)，男，硕士，主要研究方向：高压试验电源。

李国富(1957-)，男，硕士，教授级高工，主要研究方向：电力系统内过电压、高性能避雷器、可控串补关键设备等。

中文引用格式：李龙龙，李国富，陈没，等.基于 MSP430的纹波功率电源设计[J].电子技术应用，2016，42(9)：129-132.

英文引用格式：Li Longlong，Li Guofu，Chen Mo，et al.Design of ripple signal power supply based on MSP430[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：129-132.