基于STC12 C5410AD单片机的数字电源设计

引言

数字电源目前主要应用在数据通信、存储、服务器等性能和智能化要求较高的领域。在美国TI公司等半导体企业的推动下，数字电源技术有了快速发展。

业界都比较认同TI公司对数字电源所下的定义：

数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供配置、监控和管理功能，并延伸到对整个回路的控制。

数字电源具有以下特点：数字化控制的电源转换，以MCU(微控制器)或DSP(数字信号处理器)为核心，它能实现PWM(脉宽调制)稳压回路控制、软件启动等功能;数字电源管理，对电压和电流等电源输出进行配置的功能;采用整合数字电源(fusion digital power)技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合，例如，功率级所用的模拟组件——MOsFET驱动器，可以方便地与数字电源控制器相连并实现各种保护;能达到很高的技术指标，例如，其PWM分辨力可达150 ps(10 S～12 S)水平，这是传统开关电源所望尘莫及的;大量的电源管理和一些电源控制功能是通过PMBus(电源管理总线)实现的，PMBus是一种开放标准的数字电源管理协议，该协议是2004年10月由2家世界领先的电源公司Artesyn Technologies和AstecPower，以及6家世界领先的半导体企业共同建立。

1 数字电源的硬件设计

数字电源属于开关电源类产品，其主要的性能指标有：纹波与噪声、电源转换效率、输出电压稳定度、保护与安全特性。性能指标数据的高低直接影响数字电源产品的品质好坏。本文重点介绍数字电源的系统组成、PWM稳压回路和电源滤波电路的设计。

1.1 系统组成

数字电源有MCU控制和DSP控制两种解决方案。本数字电源系统采用MCU控制方案，整个系统由主控制器、PWM稳压回路、电流电压取样电路、键盘显示电路、电源滤波电路等组成，其系统的框图见图1。数字电源的主控制器是深圳宏晶科技有限公司生产、具有A/D 转换和PWM 功能、高速/低功耗STC12C5410AD型单片机，其内部配有10 kB程序存储器和512 B的RAM。电流电压的取样信号反馈到单片机的A/D输入端，经数字信号处理分析，单片机输出PWM信号，控制PWM稳压回路的功率开关管的导通或截止，经功率电感的充放电实现能量转换。

用户不仅能从显示器上观察到当前的电源参数，还可通过键盘随时修改电源参数。单片机通用串行口实现上位计算机与数字电源之间通信。

1.2 PWM 稳压回路设计

考虑到功率MOSFET的诸多优点，PWM稳压回路中的半导体功率开关器件用MOSFET取代晶体管。

PWM稳压回路如图2所示。

MOSFET驱动电路是由R1、R2、R3、C2、V1和V2组成，MOSFET管的开关频率可以很高，所需驱动功率很小，容易驱动，是高频小功率变换器的理想功率器件。MOSFET管的输入阻抗很高，其导通和关断就相当于输入电容充放电过程。

MOSFET过高的输入电容C 对7}=父转换速度起很甭要的作用，降低C 影响，足MOSFET驱动电路改计的承点。

MOSFET的等效输入电容为：

1.3 电源滤波电路设计

电源要求输出尽量小的纹波及噪声，滤波电容在开关电源中对抑制电源的纹波及噪声起着非常露要的作用，选择品质优良、ESR(低等效串联电阻)的电容是提高滤波效果的关键。

根据开关电源盼没计理论，以降压BUCK拓扑结构的开关稳压器为例，开关电源的纹波电压AV为：

式中，f。 为MOSFET的导通时问;R 为ESR值。

从输出纹波电压△ .的表达式导出，在给定的条件下，针对一个所期望的频率范围来选择和R ，选择比较合适的电感值后，决定输出电压纹波大小的主要因素是输出电容的R 。

因低R 电容(如钽电容和日本三洋OSCON电容)成本较高，所以，本电源系统降低输出电容R嘞的方法是：在保持输出电容总容量不变的前提下，把原来的一个电容拆分成几个电容的并联，这样，随着电容容量的减少其 EsR相应减少，几个电容并联后，总的尺是单个电容的几分之一;如果选用电容的耐压值适当提高，单个电容的 可进一步降低，这是因为同容量的电容，耐压提高其 咖变小。采用以上设计方法后，输出电容的 大幅度下降，输出电压纹波明显减小。

电源滤波电路见图3，符合设计要求。

2 数字电源的软件设计

编制软件一方面必须与已建立的硬件电路密切配合，另一方面要满足产品的设计要求。本系统软件采用编编与c语言混合编程实现，主要包括单片机控制软件及上位机界面和通信软件。程序流程图见图4。

根据计算机或键盘输入的设置命令信号和取样信 ，单片机进行数字信号处理后，输出PWM信号。

通过键盘随时修改电源参数，可以从显示器上观察到当前的有关数据。在过流与过压的情况下，关闭PWM并进行声光报警。

3 实际测试结果及分析

3.1 功率管的驱动状态对开关特性的影响

数字电源在输入电压为24 V、输出为12 V/3 A的情况下进行测试。峰值栅极驱动电流， 。在过驱动和欠驱动两种状态下的功率开关管输出波形见图5。从图5(b)可知，由于功率MOSFET欠驱动，上升时间t变得很长，开关转换过程中能耗大大增加，随之电源的效率和负载能力下降，此时电源只能驱动一半的负载。

如果选用的功率MOSFET输入电容c 和导通电阻足够小，在功率MOSFET栅极过驱动条件下，功率开关管输出波形可达到图5(a)的理想效果，t 变得很短，开关转换过程中能耗大大降低，电源效率和负载能力明显提高，很好地满足了电路设计要求。

3.2 电源滤波电路对电源纹波抑制的作用

用单电解电容(2 200 IxF/35 V)滤波和图3电路滤波，其实测波形见图6。可见，单电容电源纹波约为80 mV(p-p)，改进后实际应用电路的纹波约为35 mV(p-p)，对电源的纹波抑制起到了很大的作用。

4 结语

本文介绍基于STC12C5410AD型单片机的数字电源设计方案。实际测试表明，用带PWM和A/D转换功能的通用单片机实现数字电源的设计是可行的，其性能达到相当高水平，此方法具有推广应用价值。