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一種數字可調的升壓型開關電源的設計與實現

鉅大LARGE  |  點擊量:297次  |  2020年05月14日  

摘要
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 ...

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法,實現電壓步進調整,并具有寬電壓輸入、穩壓輸出功能。


2設計方法


方法系統設計框圖如圖1所示,輸入為220V,50Hz交流電壓,經電壓變換,整流濾波后得到18V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30~36V范圍內步進調節,實現多路電壓輸出。最大輸出電流高達2A。


輸出電壓經MAXl97A/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18V直流,經2200μF電容濾波后進入主轉換電路與Boost電路。


在Boost轉換電路中,新增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、過壓出現時,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。[page]


3.2重要功能電路原理


硬件電路部分的重要電路是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供應電能;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供應能量。


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=100V,IDS=17A。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3.3V,輸出電壓最大可達20V,驅動電流最大可達到2A。其延遲時間為10ns,上升沿和下降沿時間分別為120ns和9411s。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1011s以內。但其反向耐壓值較低,一般不超過100V。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=40kHz時,設紋波電壓約為30~50mV,則計算得到C數量級為1000μF。實際調試后取電容為2200μF。[page]


儲能電感的選取,可根據:


設計過程中,設置紋波電流△iL=O.4A,計算得到L數量級為lmH,實際調試后取電感為0.79mH。[page]


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??删幊踢壿嬈骷﨏pLD可直接生成pWM波控制開關管驅動器。


4.1pWM波出現


pWM波的出現采用VerilogHDL硬件描述語言在CpLD中實現。信號頻率設定為40kHz,采用DDS方式步進頻率可精確至1Hz。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100MHz。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。


4.2pI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,恢復積分校正用途。積分分離式算法既保持積分用途,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供應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。脈沖出現器出現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?。狠斎腚妷簽?8V,開關管的控制脈沖(pWM波)頻率為40kHz,占空比60%,電容取2200μF,電感為1mH,電阻為18Ω。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36V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30~36V步進調整.最大輸出電流2A。


5結語


利用Boost電路實現了系統設計的升壓轉換,采用CpLD和單片機完成數字控制,軟件編程得到pWM信號,通過調整占空比實現輸出電壓數字調節。而運用pI算法則是本系統設計的亮點,完美實現了寬輸入,穩壓輸出。


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