一種測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案

　　摘 要：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。

　　0 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。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了以單片機(jī)、嵌入式ARM 為核心的高集成度處理器，并在自動(dòng)化、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電源行業(yè)也開(kāi)始采用內(nèi)部集成資源豐富的嵌入式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制系統(tǒng)。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。

　　相比之前的模擬電源，數(shù)字穩(wěn)壓電源大大減少了在模擬電源中常見(jiàn)的誤差、老化、溫度漂移、非線性不易補(bǔ)償?shù)戎T多問(wèn)題，提高了電源的靈活性和適應(yīng)性。將SAMSUNG公司的嵌入式ARM 處理器S3C2440芯片應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)一種以嵌入式ARM 處理器為核心，具備PID控制器以及觸摸屏等功能的測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)。

　　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。

　　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。

　　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)。