基于STC8A系列單片機(jī)的Zeta型數(shù)控電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

龍本錦，張 靖，徐邦賢，何 宇，張 英

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

1 引 言

STC8A系列單片機(jī)的價(jià)格[1]低于數(shù)字信號(hào)處理器[2]，運(yùn)行速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)更快，且內(nèi)部集成了ADC、PWM模塊，無需外部復(fù)位電路和晶振電路即可正常使用，因此能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)型數(shù)控電源的閉環(huán)控制，同時(shí)對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻干擾[3]具有較強(qiáng)的抗干擾特性。STC8A以其優(yōu)良的抗干擾性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的、運(yùn)算速度較快數(shù)學(xué)運(yùn)算。15位的PWM可獲得較高的輸出電壓的步進(jìn)精度，且供電電壓范圍較寬，待機(jī)功耗較低，具有應(yīng)用于開發(fā)低成本數(shù)字電源的潛力。在此以Zeta型升降壓變換器為控制對(duì)象，采用STC8A8K64D4單片機(jī)作為變換器的數(shù)字控制主控芯片，搭配PI單環(huán)算法對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，再通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2 總體設(shè)計(jì)框圖

Zeta型升降壓電源的設(shè)計(jì)以STC8A8K64D4作為主控，主要完成硬件電路和控制算法設(shè)計(jì)兩部分，包括：Zeta型升降壓電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊、AD信號(hào)預(yù)處理模塊、輔助電源模塊、STC8A最小系統(tǒng)模塊、開關(guān)管過流保護(hù)電路等，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制功能?？刂破骺傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 Zeta型數(shù)控電源總體設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 Zeta型升降壓電路分析

數(shù)控Zeta變換器主電路如圖2所示，它由輸入電感Lin、隔直電容Cb1、輸出電感Lout、輸出電容Cout1、Cout2，開關(guān)管Q1、Q2組成，具有輸入、輸出電壓同相位，可升降壓的特點(diǎn)。通過驅(qū)動(dòng)模塊施加一組互補(bǔ)的PWM脈沖信號(hào)令Q1、Q2互補(bǔ)導(dǎo)通，使V_Sw處產(chǎn)生方波電壓，經(jīng)Lout、Cout1、Cout2濾波后輸出直流電壓供負(fù)荷使用。

圖2 數(shù)控Zeta變換器主電路

3.2 MOS管驅(qū)動(dòng)模塊

MOS管驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中包括：由IR公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)芯片IRS2004、充電（隔離）二極管D1、自舉電容C2，下拉電阻R1，阻尼電阻R2，鉗位二極管D2組成。

圖3 MOS管驅(qū)動(dòng)模塊電路

輸入信號(hào)PWM_IN接至74HC245D的B0管腳接收來自MCU的PWM脈沖控制信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部電平移動(dòng)電路、低邊MOS管驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路，產(chǎn)生一組180°互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRV_1和DRV_2，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)MOS管Q1和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通。PWM_SD為MOS管驅(qū)動(dòng)的閉鎖信號(hào)，低電平有效，與過流保護(hù)電路相連接，實(shí)現(xiàn)MOS管過流保護(hù)。

3.3 AD采樣預(yù)處理模塊

輸出電壓Vout的范圍在0～30 V之間，并含有一定量的開關(guān)紋波，需要通過信號(hào)預(yù)處理電路進(jìn)行信號(hào)縮放、濾波，才能送至MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。預(yù)處理電路如圖4所示。其中，R4、R7、C4組成一階濾波器對(duì)輸出電壓中的直流成分縮放至0～3 V，對(duì)高頻紋波進(jìn)行旁路，并由R5、R3、運(yùn)放U2A對(duì)C4兩端電壓放大2倍，經(jīng)運(yùn)放U2B進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大2倍，再次由R6、C3組成的一階濾波電路送至MCU的P1.1引腳進(jìn)行采樣。

圖4 AD采樣預(yù)處理模塊電路

3.4 STC8A8K64D4最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)模塊如圖5所示，由STC8A單片機(jī)、ADC基準(zhǔn)芯片、電源濾波器件、串行下載接口組成。單片機(jī)的工作電壓范圍為2.7～5 V，內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器的精度為12位。

圖5 STC8A8K64D4最小系統(tǒng)模塊電路

此處所采用的工作頻率為40 MHz。設(shè)定PWM模塊的PWMC寄存器為2048，PWM的輸出頻率為20 kHz。為防止變換器向最小系統(tǒng)的電源輻射高頻干擾，通過在輔助供電模塊供電端與AVCC引腳之間插入π型濾波結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)主控的抗干擾能力。圖5中ADC接口P1.1處采用開關(guān)型二級(jí)管D12、D13將輸入電壓限制在-0.6～5.5 V之間，防止AD預(yù)處理模塊輸出超過5.5 V電壓而燒毀單片機(jī)接口。

3.5 電壓模式單環(huán)PI控制算法

采用離散式PI單環(huán)控制算法[4-6]對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能?？刂扑惴ㄍㄟ^PWM中斷進(jìn)行調(diào)用，每個(gè)PWM周期運(yùn)行一次PI單環(huán)控制算法。離散系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示。VREF(2048)為欲設(shè)定的電壓值，反饋值為寄存器ADC_RES與ADC_RESL高二位組合的值；控制算法的輸出賦值到PWM0T1寄存器。當(dāng)PWM的計(jì)數(shù)值大于PWM0T1寄存器的值時(shí)，引腳P2.0輸出為低電平，反之，輸出為高電平。PWM中斷的觸發(fā)方式為歸零觸發(fā)，ADC的采樣時(shí)刻設(shè)置為產(chǎn)生PWM中斷的時(shí)刻，PI參數(shù)采用試湊法[7-8]在線調(diào)節(jié)確定。

圖6 離散PI算法控制框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。采用一個(gè)型號(hào)為220 V/20 V的變壓器將市電轉(zhuǎn)換為20 V的交流電，經(jīng)濾波整流后輸出直流電壓為27 V，作為變換器的主電源，輸出端接一個(gè)10Ω的可變電阻器。

圖7 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

輸出電壓隨負(fù)載變化的波形圖如圖8所示。輸出電壓調(diào)至11 V，輸出端負(fù)載突增時(shí)，電壓有所下降，但能夠在5 ms內(nèi)從振蕩恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)；負(fù)載突減時(shí)，能夠在10 ms以內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。STC8A8K64D4的這一運(yùn)算速度，已能夠滿足數(shù)字電源的控制需求，也能夠在較短的周期內(nèi)完成PI控制算法，滿足Zeta型升降壓電源的閉環(huán)控制需求。

圖8 輸出電壓隨負(fù)載變化的波形圖

5 結(jié)束語

采用STC8A單片機(jī)控制的Zeta升降壓電路輸出電壓對(duì)負(fù)載的突變響應(yīng)速度較快，僅次于高端的DSP控制器。負(fù)載突變前后的穩(wěn)態(tài)誤差較小，控制系統(tǒng)的功耗較低、抗干擾性能較好，對(duì)主電路的轉(zhuǎn)換效率影響也較小，綜合所有優(yōu)點(diǎn)來看，STC8A系列單片機(jī)適合用于成本較低、具有中低功耗的數(shù)字電源控制器場(chǎng)合。