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一種利用數(shù)字控制、電壓可調(diào)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-01-09 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】本文提出了一種利用數(shù)字控制、電壓可調(diào)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)電壓步進(jìn)調(diào)整,并具有寬電壓輸入、穩(wěn)壓輸出功能。

設(shè)計(jì)方案
  
方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,輸入為220 V,50 Hz交流電壓,經(jīng)電壓變換,整流濾波后得到18 V的直流電壓,送入Boost電路,經(jīng)濾波輸出直流。CPLD與單片機(jī)組成的數(shù)字控制模塊輸出脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM),由按鍵控制改變PWM占空比,從而控制Boost電路的輸出電壓。該輸出電壓可在30~36 V范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出。最大輸出電流高達(dá)2 A。
  
輸出電壓經(jīng)MAXl97 A/D采樣,送至控制模塊,通過(guò)PID算法計(jì)算調(diào)整下一次傳送的控制信號(hào),形成反饋回路,實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入,穩(wěn)壓輸出的功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
圖1:系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路圖
  
系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。交流電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換,其幅值按一定比例降低。降低的交流電壓經(jīng)扁橋式整流電路整流為18 V直流,經(jīng)2 200μF電容濾波后進(jìn)入主轉(zhuǎn)換電路與Boost電路。

硬件電路圖
圖2:硬件電路圖

在Boost轉(zhuǎn)換電路中,增加MOSFET和二極管緩沖吸收電路,減小過(guò)壓或過(guò)流引起的損耗。由于電源功率較小,則采用RC吸收電路。當(dāng)過(guò)流、過(guò)壓產(chǎn)生時(shí),電流通過(guò)電阻以熱能的形式將能量散發(fā)出去,降低對(duì)MOSFET的影響,減小其損耗,延長(zhǎng)使用壽命。根據(jù)多次試驗(yàn),保護(hù)吸收電路的電阻應(yīng)取kΩ級(jí),電容取nF級(jí)。直流信號(hào)再經(jīng)低通濾波器濾除紋波,驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 
 
主要功能電路原理
  
硬件電路部分的主要電路是Boost電路,它由功率開(kāi)關(guān)管VT、儲(chǔ)能電感L、續(xù)流二極管VD和濾波電容C組成。開(kāi)關(guān)管按一定頻率工作,轉(zhuǎn)換周期為T(mén),導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)on,截止時(shí)間為T(mén)off,占空比D=Ton/T。其工作原理為:當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),電感L儲(chǔ)能,VD反偏截止,負(fù)載由電容C提供電能;VT截止時(shí),L兩端電壓極性相反,VD正偏,同時(shí)為負(fù)載和濾波電容C提供能量。
  
由儲(chǔ)能電感L導(dǎo)通和截止期間,電流變化量相等可得,輸出電壓U0和輸入電壓U1之間關(guān)系為:
U0/Ui=1/(1一D) (1)

器件選取
  
根據(jù)理論計(jì)算,功率開(kāi)關(guān)采用晶體管即可滿(mǎn)足要求,故系統(tǒng)采用IRF540型MOS管,其VDS=100 V,IDS=17 A。采用MOS管專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器件IR2110完成驅(qū)動(dòng)功能。IR2110是一款高低電平驅(qū)動(dòng)器件,其邏輯輸入電壓只需3.3 V,輸出電壓最大可達(dá)20 V,驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)到2 A。其延遲時(shí)間為10ns,上升沿和下降沿時(shí)間分別為120 ns和94 11s。由于IR2110可同時(shí)驅(qū)動(dòng)雙MOS管,因而系統(tǒng)只涉及一個(gè)MOS管,故只使用一路驅(qū)動(dòng)即可。
  
由于普通二極管的反向恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),而肖特基整流管無(wú)電荷儲(chǔ)存問(wèn)題,可改善開(kāi)關(guān)特性。其反向恢復(fù)時(shí)間縮短到10 11s以?xún)?nèi)。但其反向耐壓值較低,一般不超過(guò)100 V。因此肖特基二極管適用于低壓、大電流狀態(tài)下工作,并可利用其低壓降提高低壓、大電流整流(或續(xù)流)電路的效率。

重要參數(shù)的計(jì)算
  
濾波電容的選取,可根據(jù)
gongshi1  
當(dāng)開(kāi)關(guān)管工作頻率取F=40 kHz時(shí),設(shè)紋波電壓約為30~50 mV,則計(jì)算得到C數(shù)量級(jí)為1 000μF。實(shí)際調(diào)試后取電容為2 200μF?! ?/p>

儲(chǔ)能電感的選取,可根據(jù):
Gongshi2  
設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)置紋波電流△iL=O.4 A,計(jì)算得到L數(shù)量級(jí)為l mH,實(shí)際調(diào)試后取電感為0.79 mH。

軟件設(shè)計(jì)
  
選擇CPLD和51系列單片機(jī)組合設(shè)定數(shù)字控制和輸出電壓步進(jìn)。用單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)除設(shè)定初始電壓值,還包含PID算法程序,以及調(diào)整PWM占空比??删幊踢壿嬈骷﨏PLD可直接生成PWM波控制開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)器。

PWM波產(chǎn)生
  
PWM波的產(chǎn)生采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言在CPLD中實(shí)現(xiàn)。信號(hào)頻率設(shè)定為40 kHz,采用DDS方式步進(jìn)頻率可精確至1 Hz。使用QuartusⅡ自帶的工具生成PLL器件,將外界晶體振蕩器輸入的頻率倍頻至100 MHz。由DDS公式,可得:
Gongshi3
式中:k為累加系數(shù);Fin為輸入頻率;n為計(jì)數(shù)器位數(shù)。
  
當(dāng)鍵盤(pán)鍵入所需電壓U0,單片機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)化為占空比DY=1一(Ui/U0)。累加器開(kāi)始累加時(shí)輸出高電平,當(dāng)DY達(dá)到計(jì)數(shù)值時(shí)變?yōu)榈碗娖剑罱K可得精確頻率下占空比可調(diào)的PWM控制信號(hào)。

PI控制算法
 
為通過(guò)反饋調(diào)節(jié)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中加入了PID控制算法,即單片機(jī)中將給定電壓值與采樣反饋電壓值比較,利用偏差的比例、積分、微分線(xiàn)性組合調(diào)整PWM信號(hào)的占空比,進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓。常用的PID算法形式為:
Gongshi4
式中:KP、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù);e(k)為偏差;u(k)為所需控制信號(hào)的調(diào)整值。
  
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇PI算法(PID算法的一種簡(jiǎn)單形式),即令Kd為零,只考慮比例系數(shù)和積分系數(shù)。因此,系統(tǒng)穩(wěn)壓控制的優(yōu)劣取決于參數(shù)Kp、Ki。Kp 越大,系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏,但Kp偏大會(huì)導(dǎo)致輸出振蕩大,調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng),所以應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。積分系數(shù)的運(yùn)用可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度。PI算法流程如圖3所示。圖3中引入了積分分離式算法,減少積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。即在控制開(kāi)始階段或電壓值大幅度變化時(shí),取消積分校正;而當(dāng)實(shí)際電壓值與設(shè)定值的誤差小于一定值時(shí),恢復(fù)積分校正作用。積分分離式算法既保持積分作用,又減小超調(diào)量,改善控制系統(tǒng)的性能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定,可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

PI算法的流程圖
圖3:PI算法的流程圖

仿真驗(yàn)證
  
Simulink是MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真的一個(gè)軟件包。采用powersystem庫(kù)模型,將系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真電路連接如圖4所示。脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生固定頻率和占空比方波,控制MOS開(kāi)關(guān)管。電流和電壓測(cè)量器將模擬的電流和電壓量化送至示波器。仿真中器件參數(shù)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)選?。狠斎腚妷簽?18 V,開(kāi)關(guān)管的控制脈沖(PWM波)頻率為40 kHz,占空比60%,電容取2 200μF,電感為1 mH,電阻為18 Ω。得到的電流電壓波形圖如5所示。通過(guò)仿真可看出,在不考慮損耗時(shí)電壓可以升36 V以上,電流也可以達(dá)到2.4A;在實(shí)際電路中因存在損耗,通過(guò)調(diào)整占空比達(dá)到了輸出電壓30~36 V步進(jìn)調(diào)整.最大輸出電流2 A。

仿真電路圖
圖4:仿真電路圖

電流電壓波形圖
圖5:電流電壓波形圖

利用Boost電路實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換,采用CPLD和單片機(jī)完成數(shù)字控制,軟件編程得到PWM信號(hào),通過(guò)調(diào)整占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓數(shù)字調(diào)節(jié)。而運(yùn)用PI算法則是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn),完美實(shí)現(xiàn)了寬輸入,穩(wěn)壓輸出。

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