一種數字可調的升壓型開關電源的設計與實現

分類：技術教程日期：2009-01-06 00:00:00 來源：國外電子元器件

　　1 引言
　　近年來，數字化在電源領域得到廣泛應用，許多電子設備要求電源具有多檔級。因此，這里提出了一種利用數字控制、電壓可調的開關電源設計方案，實現電壓步進調整，并具有寬電壓輸入、穩壓輸出功能。
　　2 設計方案
　　方案系統設計框圖如圖1所示，輸入為220 V，50 Hz交流電壓，經電壓變換，整流濾波后得到18 V的直流電壓，送入Boost電路，經濾波輸出直流。CPLD與單片機組成的數字控制模塊輸出脈寬調制信號(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范圍內步進調節，實現多路電壓輸出。最大輸出電流高達2 A。
　　輸出電壓經MAXl97 A/D采樣，送至控制模塊，通過PID算法計算調整下一次傳送的控制信號，形成反饋回路，實現寬電壓輸入，穩壓輸出的功能。

　　3 硬件電路設計
　　3．1 硬件電路圖
　　系統硬件電路如圖2所示。交流電壓經變壓器轉換，其幅值按一定比例降低。降低的交流電壓經扁橋式整流電路整流為18 V直流，經2 200μF電容濾波后進入主轉換電路與Boost電路。

　　在Boost轉換電路中，增加MOSFET和二極管緩沖吸收電路，減小過壓或過流引起的損耗。由于電源功率較小，則采用RC吸收電路。當過流、過壓產生時，電流通過電阻以熱能的形式將能量散發出去，降低對MOSFET的影響，減小其損耗，延長使用壽命。根據多次試驗，保護吸收電路的電阻應取kΩ級，電容取nF級。直流信號再經低通濾波器濾除紋波，驅動負載。
　　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，它由功率開關管VT、儲能電感L、續流二極管VD和濾波電容C組成。開關管按一定頻率工作，轉換周期為T，導通時間為Ton，截止時間為Toff，占空比D=Ton/T。其工作原理為：當VT導通時，電感L儲能，VD反偏截止，負載由電容C提供電能；VT截止時，L兩端電壓極性相反，VD正偏，同時為負載和濾波電容C提供能量。
　　由儲能電感L導通和截止期間，電流變化量相等可得，輸出電壓U0和輸入電壓U1之間關系為：
　　U0/Ui=1/(1一D) (1)
　　3．3 器件選取
　　根據理論計算，功率開關采用晶體管即可滿足要求，故系統采用IRF540型MOS管，其VDS=100 V，IDS=17 A。采用MOS管專用驅動器件IR2110完成驅動功能。IR2110是一款高低電平驅動器件，其邏輯輸入電壓只需3．3 V，輸出電壓最大可達20 V，驅動電流最大可達到2 A。其延遲時間為10ns，上升沿和下降沿時間分別為120 ns和94 11s。由于IR2110可同時驅動雙MOS管，因而系統只涉及一個MOS管，故只使用一路驅動即可。
　　由于普通二極管的反向恢復時間過長，而肖特基整流管無電荷儲存問題，可改善開關特性。其反向恢復時間縮短到10 11s以內。但其反向耐壓值較低，一般不超過100 V。因此肖特基二極管適用于低壓、大電流狀態下工作，并可利用其低壓降提高低壓、大電流整流(或續流)電路的效率。
　　3．4 重要參數的計算
　　濾波電容的選取，可根據

　　當開關管工作頻率取F=40 kHz時，設紋波電壓約為30～50 mV，則計算得到C數量級為1 000μF。實際調試后取電容為2 200μF。
　　儲能電感的選取，可根據：

　　設計過程中，設置紋波電流△iL=O．4 A，計算得到L數量級為l mH，實際調試后取電感為0．79 mH。
　　4 軟件設計
　　選擇CPLD和51系列單片機組合設定數字控制和輸出電壓步進。用單片機控制整個系統。軟件設計除設定初始電壓值，還包含PID算法程序，以及調整PWM占空比。可編程邏輯器件CPLD可直接生成PWM波控制開關管驅動器。
　　4．1 PWM波產生
　　PWM波的產生采用Verilog HDL硬件描述語言在CPLD中實現。信號頻率設定為40 kHz，采用DDS方式步進頻率可精確至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：
　　式中：k為累加系數；Fin為輸入頻率；n為計數器位數。
　　當鍵盤鍵入所需電壓U0，單片機內轉化為占空比DY=1一(Ui／U0)。累加器開始累加時輸出高電平，當DY達到計數值時變為低電平，最終可得精確頻率下占空比可調的PWM控制信號。
　　4．2 PI控制算法
　　為通過反饋調節控制信號實現穩壓，系統軟件設計中加入了PID控制算法，即單片機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、微分線性組合調整PWM信號的占空比，進而達到穩壓。常用的PID算法形式為：
　　式中：KP、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數；e(k)為偏差；u(k)為所需控制信號的調整值。
　　該系統設計選擇PI算法(PID算法的一種簡單形式)，即令Kd為零，只考慮比例系數和積分系數。因此，系統穩壓控制的優劣取決于參數Kp、Ki。Kp越大，系統反應越靈敏，但Kp偏大會導致輸出振蕩大，調節時間延長，所以應謹慎選擇。積分系數的運用可以消除系統的穩態誤差，提高系統的控制精度。PI算法流程如圖3所示。圖3中引入了積分分離式算法，減少積分校正對控制系統動態性能的影響。即在控制開始階段或電壓值大幅度變化時，取消積分校正；而當實際電壓值與設定值的誤差小于一定值時，恢復積分校正作用。積分分離式算法既保持積分作用，又減小超調量，改善控制系統的性能。經實驗確定，可實現穩壓功能。

　　4．3 仿真驗證
　　Simulink是MATLAB提供的實現動態系統建模仿真的一個軟件包。采用powersystem庫模型，將系統設計的仿真電路連接如圖4所示。脈沖產生器產生固定頻率和占空比方波，控制MOS開關管。電流和電壓測量器將模擬的電流和電壓量化送至示波器。仿真中器件參數根據實際設計選取：輸入電壓為18 V，開關管的控制脈沖(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。通過仿真可看出，在不考慮損耗時電壓可以升36 V以上，電流也可以達到2．4A；在實際電路中因存在損耗，通過調整占空比達到了輸出電壓30～36 V步進調整．最大輸出電流2 A。