- 探討測試系統數字穩壓電源的設計方案
- 采用S3C2440為核心處理器
- 采用PID控制以保證電壓電流精度和穩定度
引 言
直流穩壓電源是一種比較常見的電子設備，一直被廣泛地應用在電子電路、實驗教學、科學研究等諸多領域。近年來，嵌入式技術發展極為迅速，出現了以單片機、嵌入式ARM 為核心的高集成度處理器，并在自動化、通信等領域得到了廣泛應用。電源行業也開始采用內部集成資源豐富的嵌入式控制器來實現數字穩壓電源的控制系統。數字穩壓電源是用脈寬調制波（PWM）來控制MOS管等開關器件的開通和關閉，從而實現電壓電流的穩定輸出。數字穩壓電源還具備自診斷功能，能實現過壓過流保護、故障警告等。
相比之前的模擬電源，數字穩壓電源大大減少了在模擬電源中常見的誤差、老化、溫度漂移、非線性不易補償等諸多問題，提高了電源的靈活性和適應性。將SAMSUNG公司的嵌入式ARM 處理器S3C2440芯片應用到實驗室測試系統數字穩壓電源的設計中，采用C語言和匯編語言，實現一種以嵌入式ARM 處理器為核心，具備PID控制器以及觸摸屏等功能的測試系統數字穩壓電源控制系統。
1 測試系統數字穩壓電源組成及工作原理
數字穩壓電源由主控制器、PWM 穩壓電路、電壓電流取樣電路、PID控制器、觸摸屏組成，系統原理框圖如圖1所示。
圖1 系統原理框圖
本電源對輸出的電壓電流信號進行采樣，進行PID控制，最后輸出PWM 驅動波形調節輸出電壓。輸出電壓提供給芯片測試平臺，供其測試芯片時使用。
前端交流電源輸入到整流模塊，經整流濾波后輸出平穩的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊。
高精度A/D轉換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變為數字量供給S3C2440進行數字PID運算，經過PID 控制器運算后，由S3C2440輸出PWM 至IGBT,從而構成一個閉環控制系統，控制電壓電流穩定輸出，從而實現數字穩壓電源設計，提供給芯片測試系統使用。ARM 控制器通過觸摸屏實現人機交互界面，在觸摸屏上設置參數和顯示信息。
2 硬件設計
2.1 ARM 控制系統組成
鑒于PID運算和PWM 波輸出模塊要求高，通過考查，選擇SAMSUNG公司的S3C2440,這是一款32位基于ARM920T內核的CPU,擁有高達400MHz的頻率，完全能滿足PID控制器運算的實時性要求；16位的定時器，可實現精度高達0.03μs的PWM 脈沖波，并且有防死區功能；24個外部中斷源，完全可以滿足對系統外部故障信息進行實時響應；內部嵌入LCD控制器，并擁有DMA通道，使得電壓電流值能夠實時顯示在LCD上，還可以通過觸摸屏設計一些所需的參數；多達140個通用I/O口，可以方便地擴展外部接口和設備；擁有8通道多路復用ADC,10位的數字編碼，高達500kSPS轉換率，滿足了測試系統所需的A/D轉換精度。
2.2 PWM 穩壓電路設計
脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation,PWM）原理是PWM 調制信號對半導體功率開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一些列幅值相等而寬度不相等的脈沖，經過處理后得到穩定的直流電壓輸出。
PWM 調制信號由ARM 主控制器根據設定的電壓值，按一定的規則對各脈沖寬度進行調制后給出脈沖信號。
PWM 穩壓電路如圖2所示。
圖2 PWM 穩壓電路
半導體功率開關器件其開關轉換速度的快慢直接影響電源的轉換效率和負載能力，本系統PWM 穩壓電路中，驅動電路由電阻、電容、晶體管和場效應管組成，MOSFET是電壓單極性金屬氧化硅場效應晶體管，所需驅動功率很小，容易驅動。MOSFET的輸入阻抗很高，其導通和關斷就相當于輸入電容充放電過程。根據所選器件的參數，計算出滿足的條件，保證驅動電路提供足夠大的過充電流，實現MOSFET 快速、可靠的開關。
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3 軟件設計
采用S3C2440為核心處理器，其豐富的片上資源和優秀的運算速度，保證了系統的實時性，編寫軟件主要以C語言進行驅動和應用程序的開發，其大容量存儲器，完全能滿足系統程序的數據存儲。
該測試系統中ARM 處理器所要實現的主要功能和軟件實現方法如下。
3.1 PWM 波產生
PWM 用于對電路中IGBT 的驅動。根據輸出采樣，設定和調整定時器配置寄存器TCFGn 和定時器n計數緩存寄存器TCNTBn中的值來改變輸出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，可以達到千分之一的控制精度。
3.2 監控和保護系統
為了使數字穩壓電源能夠可靠、安全地為測試系統提供電壓，該系統設置了監控和保護系統，主要用于過流保護和過壓保護等，ARM 處理器對電壓和電流采用雙重檢測，當電壓電流超出所設定的危險值范圍時，聲光報警，并啟動保護電路。
3.3 PID控制算法
PID控制器由比例、積分、微分控制器組合，將測量的受控對象（在本系統中為電壓電流值）與設定值相比較，用這個誤差來調節系統的響應，以達到動態實時的控制過程。
在數字穩壓電源PID控制系統中，使用比例環節控制電壓電流的輸出與輸入誤差信號成比例改變，但是這里會存在一個穩態誤差，即實際值與給定值間存在的偏差，因此需要引入積分環節來消除穩態誤差以提高系統精度。但由于電源系統在導通、關斷時，產生積分積累，會引起電壓電流超調，甚至會出現震蕩。為了減小這方面的影響，設定給定一個誤差值范圍，當電壓電流與設定工作值的誤差小于這一給定值時，采用積分環節去消除系統比例環節產生的穩態誤差。PID控制算法設定閾值ε，當|e（k）|>ε時，采用PD控制環節，減少超調量，使系統有較快的響應；當|e（k）|<ε時，采用PID控制，以保證電壓電流精度和穩定度。在電壓達到千分之一精度范圍后，需要加入積分環節，以完成電源開機時迅速穩定的輸出。PID算法流程圖如圖3所示。
圖3 PID控制算法流程圖。
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PID控制算法程序采用結構體定義：
struct PID{
unsigned int SetPoint; //設定目標Desired Value
unsigned int Proportion; //比例常數Proportional Const
unsigned int Integral; //積分常數Integral Const
unsigned int Derivative; //微分常數Derivative Const
unsigned int LastError; //Error[-1]
unsigned int PrevError; //Error[-2]
unsigned int SumError; //Sums of Errors
}spid;
在PID控制算法中，經過不斷與給定值進行比較，動態控制電壓電流輸出的穩定，同時確保電壓電流輸出的精度。
PID控制算法程序如下：
unsigned int PIDCalc（struct PID *pp,unsigned int Next-Point）
{
unsigned int dError,Error;
Error=pp->SetPoint-NextPoint; //偏差
pp->SumError+= Error; //積分
dError=pp->LastError-pp->PrevError; //當前微分
pp->PrevError=pp->LastError;
pp->LastError= Error;
return（pp->Proportion* Error //比例
+pp->Integral*pp->SumError //積分項
+pp->Derivative*dError）； //微分項
}
3.4 系統程序
測試系統的整體程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
本文所設計的測試系統數字穩壓電源能夠滿足芯片測試所需的電源要求。圖5為輸出的一路電壓。由圖可知，所輸出的電壓穩定。
圖5 輸出電壓波形圖
4 結 語本文設計的穩壓電源提供的電壓穩定可靠，系統運行也非常穩定。由于可擴展的I/O 非常多，可以同時為多個芯片提供各種所需的穩壓電源電壓值。該系統不僅能夠用在實驗室芯片測試工作中，而且可以通過軟件編程的方法，修改一些控制程序，使所設計的穩壓電源作為智能電子產品性能測試的電源電壓，這樣提高了設備的使用效率，有著不錯的應用前景。
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