ATMEGA16实现开关电源制作【钜大锂电】

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。以ATMEGA16单片机为控制核心，设计并制作了具有输出电压步进可调的开关电源。其硬件由整流、滤波、单片机供电电源、DC-DC变换及LED显示组成。经实验测定，输出电压0~9.9V步进0.1V可调，输出电流1.5A,当输出电压9V、输出电流1.5A时，电压调整率小于0.67%,效率可达78.78%.

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;+5V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。

图1系统组成框图

1.2整流滤波电路

整流、滤波电路重要是由整流变压器(30W,18V)、EMI滤波器、RS207整流桥(2A)和滤波电容2000μF组成。EMI滤波器重要用途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出现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5V电压为单片机ATMEGA16供应电源，电路如图2所示。

图2单片机供电电源电路

其中R1为限流电阻、C1为按时电容、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330mV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。

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

1.4键盘及显示电路

输入及显示电路采用4个按键，和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ATMEGA16采用内部8MHz晶振。

图3键盘及显示电路

1.5DC-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33A,导通电阻RDS(on)为44mΩ，漏源击穿电压VDSS为100V.MOSFET是电压控制电流源，为了驱动MOSFET进入饱和区，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。

图4DC-DC电路

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

1.6输出电压采样电路

将50kΩ电位器(电压采样电阻)的两端并在电源输出端(V0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输出电压采样电路

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。为了防止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。

图6带死区的pID控制程度流程图

△p(k)=pxe(k)-Ixe(k-1)+Dxe(k-2)(3)

式中：△p(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