1 引言

 

        近年來(lái)，數(shù)字化在電源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用童谒，許多電子設(shè)備要求電源具有多檔級(jí)肄扎。因此，這里提出了一種利用數(shù)字控制腰涧、電壓可調(diào)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案韧掩，實(shí)現(xiàn)電壓步進(jìn)調(diào)整，并具有寬電壓輸入窖铡、穩(wěn)壓輸出功能柒汉。

 

2 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萨宙，50 Hz交流電壓监昏，經(jīng)電壓變換，整流濾波后得到18 V的直流電壓惦知，送入Boost電路承副，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)爪辟，由按鍵控制改變PWM占空比冻菌，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)既权，實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出荚砍。最大輸出電流高達(dá)2 A。

 

 輸出電壓經(jīng)MAXl97 A/D采樣酌沥，送至控制模塊四洗，通過(guò)PID算法計(jì)算調(diào)整下一次傳送的控制信號(hào)，形成反饋回路呵扛，實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入每庆，穩(wěn)壓輸出的功能臼疫。

 

 

 

3 硬件電路設(shè)計(jì)

 

3．1 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)換扣孟，其幅值按一定比例降低烫堤。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電路凤价。 

 

 

 在Boost轉(zhuǎn)換電路中鸽斟，增加MOSFET和二極管緩沖吸收電路，減小過(guò)壓或過(guò)流引起的損耗利诺。由于電源功率較小富蓄，則采用RC吸收電路。當(dāng)過(guò)流慢逾、過(guò)壓產(chǎn)生時(shí)立倍，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的影響侣滩，減小其損耗口注，延長(zhǎng)使用壽命。根據(jù)多次試驗(yàn)相询，保護(hù)吸收電路的電阻應(yīng)取kΩ級(jí)逐嗅，電容取nF級(jí)。直流信號(hào)再經(jīng)低通濾波器濾除紋波褒谒，驅(qū)動(dòng)負(fù)載菊车。

 

3．2 主要功能電路原理

 

 硬件電路部分的主要電路是Boost電路，它由功率開關(guān)管VT奕喻、儲(chǔ)能電感L您奶、續(xù)流二極管VD和濾波電容C組成。開關(guān)管按一定頻率工作摧篱，轉(zhuǎn)換周期為T晋鼓，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，截止時(shí)間為Toff革惊，占空比D=Ton/T辞皇。其工作原理為：當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)能骏卿，VD反偏截止符焊，負(fù)載由電容C提供電能；VT截止時(shí)姻僧，L兩端電壓極性相反规丽，VD正偏，同時(shí)為負(fù)載和濾波電容C提供能量撇贺。

 

       由儲(chǔ)能電感L導(dǎo)通和截止期間赌莺，電流變化量相等可得冰抢，輸出電壓U0和輸入電壓U1之間關(guān)系為：

U0/Ui=1/(1一D) (1)

 

3．3 器件選取

 

 根據(jù)理論計(jì)算，功率開關(guān)采用晶體管即可滿足要求艘狭，故系統(tǒng)采用IRF540型MOS管挎扰，其VDS=100 V，IDS=17 A巢音。采用MOS管專用驅(qū)動(dòng)器件IR2110完成驅(qū)動(dòng)功能遵倦。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官撼，輸出電壓最大可達(dá)20 V梧躺，驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)到2 A。其延遲時(shí)間為10ns傲绣，上升沿和下降沿時(shí)間分別為120 ns和94 11s遣惊。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管待鲤，故只使用一路驅(qū)動(dòng)即可渠盅。

  

 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)題京拣，可改善開關(guān)特性虽浆。其反向恢復(fù)時(shí)間縮短到10 11s以內(nèi)货瘫。但其反向耐壓值較低帜猩，一般不超過(guò)100 V。因此肖特基二極管適用于低壓鬓灼、大電流狀態(tài)下工作朦阶，并可利用其低壓降提高低壓、大電流整流(或續(xù)流)電路的效率瘪吭。

 

3．4 重要參數(shù)的計(jì)算

 

        濾波電容的選取杰翰，可根據(jù)

 

 

   

        當(dāng)開關(guān)管工作頻率取F=40 kHz時(shí)，設(shè)紋波電壓約為30～50 mV经芋，則計(jì)算得到C數(shù)量級(jí)為1 000μF焰诲。實(shí)際調(diào)試后取電容為2 200μF。

        儲(chǔ)能電感的選取碟嘴，可根據(jù)：

 

   

 

        設(shè)計(jì)過(guò)程中溪食，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娜扇，實(shí)際調(diào)試后取電感為0．79 mH错沃。

 

4 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)雀瓢。軟件設(shè)計(jì)除設(shè)定初始電壓值枢析，還包含PID算法程序玉掸，以及調(diào)整PWM占空比⌒讶可編程邏輯器件CPLD可直接生成PWM波控制開關(guān)管驅(qū)動(dòng)器司浪。

 

4．1 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把沼，采用DDS方式步進(jìn)頻率可精確至1 Hz断傲。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智政。由DDS公式层筹，可得：

 式中：k為累加系數(shù)；Fin為輸入頻率清截；n為計(jì)數(shù)器位數(shù)风踪。

 

 當(dāng)鍵盤鍵入所需電壓U0，單片機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)化為占空比DY=1一(Ui／U0)弧蜒。累加器開始累加時(shí)輸出高電平也菊，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)砰穗。

 

4．2 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)壓揽宵，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渣么，利用偏差的比例脐拄、積分、微分線性組合調(diào)整PWM信號(hào)的占空比蛋鸡，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓醇樱。常用的PID算法形式為：式中：KP、Ki弓候、Kd分別為比例系數(shù)郎哭、積分系數(shù)、微分系數(shù)菇存；e(k)為偏差夸研；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)依鸥，即令Kd為零亥至，只考慮比例系數(shù)和積分系數(shù)。因此毕籽，系統(tǒng)穩(wěn)壓控制的優(yōu)劣取決于參數(shù)Kp抬闯、Ki。Kp越大关筒，系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏溶握，但Kp偏大會(huì)導(dǎo)致輸出振蕩大杯缺，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，所以應(yīng)謹(jǐn)慎選擇睡榆。積分系數(shù)的運(yùn)用可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差萍肆，提高系統(tǒng)的控制精度。PI算法流程如圖3所示栽铁。圖3中引入了積分分離式算法笆犀，減少積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。即在控制開始階段或電壓值大幅度變化時(shí)判原，取消積分校正锉纹；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)積分校正作用今天。積分分離式算法既保持積分作用残宽，又減小超調(diào)量，改善控制系統(tǒng)的性能置悦。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定父吧，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。 

 

 

 

4．3 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)軟件包捂旨。采用powersystem庫(kù)模型秉唇，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憨琅，控制MOS開關(guān)管漆勉。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)選扔は鳌：輸入電壓為18 V廊镜，開關(guān)管的控制脈沖(PWM波)頻率為40 kHz，占空比60％唉俗，電容取2 200μF，電感為1 mH配椭，電阻為18 Ω虫溜。得到的電流電壓波形圖如5所示。通過(guò)仿真可看出股缸，在不考慮損耗時(shí)電壓可以升36 V以上衡楞，電流也可以達(dá)到2．4A；在實(shí)際電路中因存在損耗敦姻，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瘾境。 

 

 

 

5 結(jié)語(yǔ)

 

        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)字控制镰惦，軟件編程得到PWM信號(hào)迷守，通過(guò)調(diào)整占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓數(shù)字調(diào)節(jié)犬绒。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)了寬輸入脯纽，穩(wěn)壓輸出等吝。

 

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