基于ATMEGA 16的开关电源设计与制作

摘要：电源广泛应用于各种电子设备及电子电路中。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0．1 V可调，输出电流1．5 A，当输出电压9V、输出电流1．5 A时，电压调整率小于0．67％，效率可达78．78％。
关键词：开关电源；单片机；步进；反馈控制

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。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，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)。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。

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
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。

由以上两式可知，当输出电压5V时，Rst、R2和R3的取值分别为0.5 Ω、1．2 kΩ、3．6 kΩ。[!--empirenews.page--]
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8 MHz晶振。

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100V。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220μH的电感和2个并联的470 μF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。[!--empirenews.page--]
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(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。

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。
△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
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0～9．9V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％。

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。