PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計分析

黃煒

【摘 要】開關(guān)穩(wěn)壓電源由于更能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的要求，具有效率高，可靠性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此，它的應(yīng)用十分廣泛。本文要介紹的是一種PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計。實驗表明各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，適用于低成本、智能化的電源開發(fā)中，有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)穩(wěn)壓電源；Boost電路；PWM；調(diào)試

與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)穩(wěn)壓電源更能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的要求。開關(guān)電源的主要優(yōu)點是：性能價格比效率高，可靠性和穩(wěn)定性好，對供電電網(wǎng)電壓的波動不敏感，在電網(wǎng)電壓波動較大的情況下，任能維持較穩(wěn)定的輸出。這使其在線性電源的競爭中具有先導(dǎo)優(yōu)勢。本文要介紹的是一種PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計。該電源的特點是進(jìn)一步降低電源輸出波紋，實現(xiàn)輸出可變并控制產(chǎn)品成本和體積。

1.主要技術(shù)指標(biāo)及特點

（1）工作模式：脈寬調(diào)制（PWM）。

（2）工作頻率：150kHz。

（3）2塊500W功率模塊并行工作，總輸出功率為1000W。

（4）能對DC48V蓄電池充電。具有欠壓、過放電報警功能。過放電時自動切斷放電回路。

（5）當(dāng)負(fù)載電流過大時，內(nèi)置的電流分配系統(tǒng)將自動降低充電電流來保證負(fù)載的供電。

（6）具有過壓保護(hù)功能，當(dāng)電網(wǎng)電壓高于AC265 V時，自動切斷輸入電源。

（7）具有過流保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載電流過大甚至完全短路時，電源由恒壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為恒流狀態(tài)， 恒流工作點連續(xù)可調(diào)。

（8）充電電流限流點和輸出電壓在一定范圍內(nèi)均連續(xù)可調(diào)。

（9）當(dāng)電網(wǎng)掉電、過壓、電池放電至43V時， 發(fā)出聲光報警。

（10）人機(jī)界面：用三位半LCD及MODE鍵可選擇地顯示輸出電壓、負(fù)載電流、充電電流值。用LED顯示包括蓄電池在內(nèi)的各種工作狀態(tài)。用RESET鍵消除報警狀態(tài)，用POWER鍵軟關(guān)斷和接通電源輸出。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由電源整流部分、控制器、信號驅(qū)動模塊和升壓模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)輸入為220V，50Hz交流電壓，經(jīng)電壓變換，整流濾波后得到18V的直流電壓，送入DC-DC變換電路，經(jīng)濾波輸出直流?？刂破魍瓿呻妷旱腁D變換并實現(xiàn)電壓值的外部設(shè)置和實時顯示，同時控制模塊輸出脈寬調(diào)制信號（PWM），從而控制Boost電路的輸出電壓。該輸出電壓可在30～36V范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)節(jié)。最大輸出電流達(dá)2A。設(shè)計中DC-DC變換的核心電路采用經(jīng)典的Boost升壓形式。

圖1系統(tǒng)硬件總體框圖

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1MOS管驅(qū)動電路

由于單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力弱不足以驅(qū)動MOSFET，所以要增加專用的MOSFET電路。設(shè)計中采用采用美國IR公司推出的高壓浮動驅(qū)動集成模塊IR2110，從而減小了裝置的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。IR2110是一款高低電平驅(qū)動器件具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)600V，在15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3Vcc，即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍10～20V；其邏輯輸入電壓只需3.3～20V，可方便地與TTL或CMOS電平相匹配，輸出電壓最大可達(dá)20V，圖騰柱輸出驅(qū)動電流最大可達(dá)到2A；工作頻率高，可達(dá)100kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；由于IR2110可同時驅(qū)動雙MOS管，因而系統(tǒng)只涉及一個MOS管，故只使用一路驅(qū)動即可。

3.2 STC12C2052AD控制器

系統(tǒng)中控制器不斷檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，調(diào)整DA的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源的工作。這種方式單片機(jī)已加入到電源的反饋環(huán)中，代替原來的比較放大環(huán)節(jié)。開關(guān)電源的控制芯片采用STC12C2052AD系列單片機(jī)，利用其內(nèi)部PWM組件產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過放大后驅(qū)動boost升壓電路。STC系列單片機(jī)為單時鐘/機(jī)器周期（1T）的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)。具有兩路PWM/PCA和8路8位精度的ADC，在本設(shè)計中充分利用這兩個功能來構(gòu)成整個控制系統(tǒng)。

3.3緩沖電路設(shè)計

當(dāng)變換器的開關(guān)管在導(dǎo)通、截止后開關(guān)管的電壓和電流的乘積幾乎為零，但在導(dǎo)通和截止的變化過程中電壓和電流都具有一定的幅值。因此變換器就會在開關(guān)過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗。通常，變換器的開關(guān)損耗中，關(guān)斷損耗比開通損耗大得多，因此大多數(shù)場合下只考慮關(guān)斷過程的緩沖即可。最簡單的緩沖電路就是附加緩沖電容，但在開關(guān)管導(dǎo)通時緩沖電容通過開關(guān)管放電，放電電流值非常大，開關(guān)關(guān)不能承受。限制放電電流可串聯(lián)限流電阻但緩沖效果明顯變差，此時可將二級管并聯(lián)到電阻兩端以減小時間常數(shù)，這就是常用的RC-D緩沖電路。

為了有效的將開關(guān)管的開關(guān)應(yīng)力轉(zhuǎn)移，緩沖電路作用的時間應(yīng)大于開關(guān)管的電壓上升時間與電流下降時間之和，通常可以選擇為開關(guān)周期的1/100～1/200電容理論值大約為6.7nF。多次試驗顯示，保護(hù)吸收電路的電阻應(yīng)取kΩ級，電容取nF級即可。

3.4采樣電路設(shè)計

為了實現(xiàn)電壓的反饋控制和過流保護(hù)，系統(tǒng)需要增加采樣電路，采樣電路共分成兩部分：電壓采樣和電流采樣。因為單片機(jī)ADC的參考電壓為5V不能直接對輸出電壓進(jìn)行變換，因此需要對輸出電壓分壓后再采樣。采用對輸出的1/10分壓，分壓電路用簡單的電阻分壓器即可。課題要求系統(tǒng)具有過流保護(hù)的功能，這就要對電流進(jìn)行采樣，將電流變成電壓后也進(jìn)行ADC變換。采樣電阻的選擇十分重要，要求噪聲小，溫度特性好，所以最好選擇低溫度系數(shù)的高精度采樣電阻。例如，錳銅線制成的電阻，溫度系數(shù)約5ppm/℃。另外，由于采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)時流過采樣電阻的電流通常比較大，因而溫度也會隨之上升。另外采樣電阻阻值取大一點，對穩(wěn)定度有好處，但會使系統(tǒng)效率下降，折中考慮取R=0.5Ω。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1單片機(jī)控制算法

為了通過反饋調(diào)節(jié)控制信號實現(xiàn)穩(wěn)壓，系統(tǒng)軟件設(shè)計中加入了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、微分線性組合調(diào)整PWM信號的占空比，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓。常用的PID算法形式為：

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）為所需控制信號的調(diào)整值。為了簡化程序該系統(tǒng)設(shè)計選擇P算法（PID算法的一種簡單形式），即令Ki、Kd為零，只考慮比例系數(shù)。因此，系統(tǒng)穩(wěn)壓控制的優(yōu)劣取決于參數(shù)Kd。Kp越大，系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏，但Kp偏大會導(dǎo)致輸出振蕩大，調(diào)節(jié)時間延長。因STC單片機(jī)速度較快所以課題中Kp選擇不必太大，可實現(xiàn)預(yù)期穩(wěn)壓功能即可。

4.2控制程序設(shè)計流程

根據(jù)課題要實現(xiàn)的功能及要求，單片機(jī)軟件的控制部分程序的流程圖2所示。

圖2 控制流程圖

4.3 過流保護(hù)設(shè)計

過流保護(hù)模塊采用軟件編程實現(xiàn)， 當(dāng)電流超過系統(tǒng)最大工作電流時， 加大PWM 波占空比， 斷開繼電器，使電流降低， 起到過流保護(hù)作用。具體流程圖3所示。

5.調(diào)試結(jié)果

測試當(dāng)中輸入電壓為18V，開關(guān)管的控制脈沖（PWM波）頻率為104kHz，占空比50%，組裝時電容取1600μF，電感為820mH，電阻為30Ω?？煽闯觯诓豢紤]損耗時電壓可以升35V以上；在實際電路中因存在損耗，通過調(diào)整占空比達(dá)到了輸出電壓30～36V步進(jìn)調(diào)整，最大輸出電流2A。

改變電源的負(fù)載，對不同負(fù)載下的輸出電壓進(jìn)行測試。

圖3 過流保護(hù)子程序流程圖

負(fù)載調(diào)整率SI=（36.01-35.38）/36.01≈1.7%對不同輸入電壓下的電流、電壓進(jìn)行測試并計算出變換器的效率，測試結(jié)果如表1所示。

表1變換器效率測試（不含單片機(jī)等控制電路）

6.結(jié)論

在本設(shè)計中，設(shè)計人員增加了電源的數(shù)控功能利用Boost電路實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的升壓轉(zhuǎn)換，采用單片機(jī)完成數(shù)字控制，軟件編程得到PWM信號，通過調(diào)整占空比實現(xiàn)輸出電壓數(shù)字調(diào)節(jié)，運(yùn)用反饋算法實現(xiàn)可控的穩(wěn)壓輸出。其穩(wěn)定性和可靠性得到了很好的驗證，有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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