測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)

　　引 言

　　直流穩(wěn)壓電源是一種比較常見(jiàn)的電子設(shè)備，一直被廣泛地應(yīng)用在電子電路、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。數(shù)字穩(wěn)壓電源是用脈寬調(diào)制波(PWM)來(lái)控制MOS管等開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)電壓電流的穩(wěn)定輸出。數(shù)字穩(wěn)壓電源還具備自診斷功能，能實(shí)現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、故障警告等。

　　通過(guò)對(duì)所需求電源的分析，結(jié)合嵌入式控制技術(shù)，提出了一種基于S3C2440的測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源解決方案，以及實(shí)現(xiàn)該方案所采用的方法。該系統(tǒng)基于ARM 控制技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，運(yùn)用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">算法進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和電路保護(hù)，以達(dá)到為測(cè)試系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源的目的。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，所提供的電源穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足芯片測(cè)試所需電源的要求。在此給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)架和軟件設(shè)計(jì)流程圖。

　　1 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源組成及工作原理

　　數(shù)字穩(wěn)壓電源由主控制器、PWM 穩(wěn)壓電路、電壓電流取樣電路、PID控制器、觸摸屏組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

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　　圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　本電源對(duì)輸出的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣，進(jìn)行PID控制，最后輸出PWM 驅(qū)動(dòng)波形調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓提供給芯片測(cè)試平臺(tái)，供其測(cè)試芯片時(shí)使用。

　　前端交流電源輸入到整流模塊，經(jīng)整流濾波后輸出平穩(wěn)的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊。

　　高精度A/D轉(zhuǎn)換器將后端輸出的電壓電流信號(hào)由模擬信號(hào)量變?yōu)閿?shù)字量供給S3C2440進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算，經(jīng)過(guò)PID 控制器運(yùn)算后，由S3C2440輸出PWM 至IGBT,從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制電壓電流穩(wěn)定輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，提供給芯片測(cè)試系統(tǒng)使用。ARM 控制器通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，在觸摸屏上設(shè)置參數(shù)和顯示信息。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 ARM 控制系統(tǒng)組成

　　鑒于PID運(yùn)算和PWM 波輸出模塊要求高，通過(guò)考查，選擇SAMSUNG公司的S3C2440,這是一款32位基于ARM920T內(nèi)核的CPU,擁有高達(dá)400MHz的頻率，完全能滿(mǎn)足PID控制器運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求;16位的定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)0.03μs的PWM 脈沖波，并且有防死區(qū)功能;24個(gè)外部中斷源，完全可以滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)外部故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng);內(nèi)部嵌入LCD控制器，并擁有DMA通道，使得電壓電流值能夠?qū)崟r(shí)顯示在LCD上，還可以通過(guò)觸摸屏設(shè)計(jì)一些所需的參數(shù);多達(dá)140個(gè)通用I/O口，可以方便地?cái)U(kuò)展外部接口和設(shè)備;擁有8通道多路復(fù)用ADC,10位的數(shù)字編碼，高達(dá)500kSPS轉(zhuǎn)換率，滿(mǎn)足了測(cè)試系統(tǒng)所需的A/D轉(zhuǎn)換精度。

　　2.2 PWM 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

　　脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)原理是PWM 調(diào)制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一些列幅值相等而寬度不相等的脈沖，經(jīng)過(guò)處理后得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。

　　PWM 調(diào)制信號(hào)由ARM 主控制器根據(jù)設(shè)定的電壓值，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制后給出脈沖信號(hào)。

　　PWM 穩(wěn)壓電路如圖2所示。

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　　圖2 PWM 穩(wěn)壓電路

　　半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件其開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度的快慢直接影響電源的轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載能力，本系統(tǒng)PWM 穩(wěn)壓電路中，驅(qū)動(dòng)電路由電阻、電容、晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管組成，MOSFET是電壓?jiǎn)螛O性金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動(dòng)功率很小，容易驅(qū)動(dòng)。MOSFET的輸入阻抗很高，其導(dǎo)通和關(guān)斷就相當(dāng)于輸入電容充放電過(guò)程。根據(jù)所選器件的參數(shù)，計(jì)算出滿(mǎn)足的條件，保證驅(qū)動(dòng)電路提供足夠大的過(guò)充電流，實(shí)現(xiàn)MOSFET 快速、可靠的開(kāi)關(guān)。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　采用S3C2440為核心處理器，其豐富的片上資源和優(yōu)秀的運(yùn)算速度，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，編寫(xiě)軟件主要以C語(yǔ)言進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，其大容量存儲(chǔ)器，完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　該測(cè)試系統(tǒng)中ARM 處理器所要實(shí)現(xiàn)的主要功能和軟件實(shí)現(xiàn)方法如下。

　　3.1 PWM 波產(chǎn)生

　　PWM 用于對(duì)電路中IGBT 的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)輸出采樣，設(shè)定和調(diào)整定時(shí)器配置寄存器TCFGn 和定時(shí)器n計(jì)數(shù)緩存寄存器TCNTBn中的值來(lái)改變輸出PWM 波的周期和脈沖寬度。修改TCNTBn的值可以控制PWM 波的占空比增加或減少1,PWM 輸出占空比增加或者減少千分之一，可以達(dá)到千分之一的控制精度。

　　3.2 監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

　　為了使數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠可靠、安全地為測(cè)試系統(tǒng)提供電壓，該系統(tǒng)設(shè)置了監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，主要用于過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等，ARM 處理器對(duì)電壓和電流采用雙重檢測(cè)，當(dāng)電壓電流超出所設(shè)定的危險(xiǎn)值范圍時(shí)，聲光報(bào)警，并啟動(dòng)保護(hù)電路。