數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭　堯

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017)

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數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭堯

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017)

摘要:文中介紹了一款基于DSP的數(shù)控電源開(kāi)關(guān)，其電壓的可調(diào)范圍在0～32 V，電流的可調(diào)范圍是0～5 A，工作頻率為50 Hz，電壓電流的步進(jìn)值分別為0.1 V和0.1 A。仿真結(jié)果表明，該數(shù)控開(kāi)關(guān)電源具有極好的調(diào)節(jié)功能，不僅能滿足精度要求，同時(shí)還具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控開(kāi)關(guān)電源;原理;參數(shù)設(shè)計(jì);仿真結(jié)果

1　數(shù)控開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)述

數(shù)控開(kāi)關(guān)的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在集成電路方面的改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)缺陷，提高了電源輸出功率。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源主要采用模擬控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)器、比較器來(lái)控制輸出電壓，一旦成型很難修改，不利于開(kāi)關(guān)電源的集成化，因此其適用性十分局限。而開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化控制就能對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行妥善解決，達(dá)到高效穩(wěn)定的目的。

數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)：(1)低質(zhì)量，低消耗。數(shù)字開(kāi)關(guān)電源具有質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)換頻率比較大，損耗較小。開(kāi)關(guān)頻率的增加能夠在極大程度上減少開(kāi)關(guān)損耗，提高電源轉(zhuǎn)化率。(2)濾波效率高。數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的頻率是線性電源工作頻率的100倍左右，這樣使得其濾波效率提高了1 000倍，半波整流下的濾波效率也能增加500倍，數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的體積也隨之減小。(3)穩(wěn)壓范圍寬。數(shù)控開(kāi)關(guān)電源隨輸入電壓的變化進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)，能適應(yīng)較寬的電網(wǎng)電壓。(4)安全可靠。數(shù)控開(kāi)關(guān)電源帶有自動(dòng)保護(hù)電路，當(dāng)電路或輸出等出現(xiàn)短路時(shí)，能夠自動(dòng)關(guān)閉輸出。數(shù)控開(kāi)關(guān)電源不僅能夠提高電源輸出功率，同時(shí)還能通過(guò)控制元件的占空比來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

2　數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的原理

數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)結(jié)合雙閉環(huán)控制原理和穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路原理，不僅使得數(shù)控電源開(kāi)關(guān)的電壓電流達(dá)到給定值，同時(shí)保證了電路工作的穩(wěn)定。

(1)雙閉環(huán)控制原理

為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在數(shù)控電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)上采用了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以直接在控制面板上設(shè)置和顯示系統(tǒng)的穩(wěn)壓、穩(wěn)流值。雙閉環(huán)控制中，電流為內(nèi)環(huán)控制，而電壓則受外環(huán)控制，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)的共同控制。雙閉環(huán)控制主要體現(xiàn)在PID的誤差調(diào)控，外環(huán)控制是指將電壓的輸出值與額定值進(jìn)行對(duì)比，然后通過(guò)調(diào)控形成電壓控制的外環(huán)；內(nèi)環(huán)控制則是PID對(duì)電流的控制，將調(diào)制后的電流傳輸形成數(shù)字脈沖，從而控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，達(dá)到限流的目的。當(dāng)工作狀態(tài)為穩(wěn)壓時(shí)，電流PID調(diào)節(jié)會(huì)輸出數(shù)字脈沖賦值給PWM調(diào)制器，電壓環(huán)會(huì)退出，以電流環(huán)為主導(dǎo)，控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流(見(jiàn)圖1)。

圖1 電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖

(2)穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路

穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換是由電壓、電流和負(fù)載三方面共同決定的。當(dāng)電路的工作狀態(tài)是穩(wěn)流時(shí)，電壓環(huán)處于飽和狀態(tài)，不起任何作用，只有內(nèi)環(huán)中的電流處于工作狀態(tài)。反之，當(dāng)電路在穩(wěn)壓狀態(tài)工作時(shí)，電流環(huán)飽和，電壓環(huán)開(kāi)始工作，且輸出的電壓大于給定值，電流給定,運(yùn)算放大器處在飽和狀態(tài)，電壓與電流環(huán)同時(shí)工作，這種控制方式被稱(chēng)為雙環(huán)結(jié)構(gòu)。正是由于雙環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，輸出電壓和電流都能夠穩(wěn)定在給定范圍附近，穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路除了能夠?qū)崿F(xiàn)電路轉(zhuǎn)換還能夠保持電源穩(wěn)值工作。

3　數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的參數(shù)設(shè)計(jì)

本數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓Uo=0～32 V，輸出電流Io=0～5 A。其主電路使用半橋型電路，具體設(shè)計(jì)方案如圖2。經(jīng)整流濾波實(shí)現(xiàn)了交流與直流的轉(zhuǎn)變，半橋電路能夠較好地完成直流電輸出。

圖2 半橋開(kāi)關(guān)電源主電路

在圖2中，選用MOSFET管作為開(kāi)關(guān)管(S1、S2)。MOSFET管是一個(gè)全控型元器件，它只受到電壓的驅(qū)動(dòng)，具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)。半橋開(kāi)關(guān)電源電路另一個(gè)橋壁是由特性和容量相同的兩個(gè)電容 (C1、C2) 組成，每個(gè)電容承擔(dān)1/2的直流電壓;而另一個(gè)橋壁則是由兩個(gè)開(kāi)關(guān) (S1、S2)組成。高頻變壓器T的兩端分別接在兩電容的中點(diǎn)和兩開(kāi)關(guān)的公共端上，通過(guò)PWM信號(hào)控制兩開(kāi)關(guān)的交替工作，從而形成交流方波電壓。通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)占空比調(diào)節(jié)，能夠改變輸出電壓Uo。R1和R2是阻值相同的泄放電阻，C3是材料為ECS的耦合電容，用途是防止變壓器的磁芯處在飽和狀態(tài)，能提高半橋逆變電路對(duì)不平衡的抵抗能力。

同時(shí)注意繞組線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)，一般的排列方式為原邊繞組靠近磁芯，副邊繞組向外排列。如果原邊繞組的一次側(cè)的電壓高，二次側(cè)的電壓低，則可以采用副邊繞組先靠近磁芯，由反饋繞組和原邊繞組在最外層排放。在設(shè)計(jì)中如果需要增加線組合耦合，還可以用一半原邊繞組先靠近磁芯，然后再繞反饋和副邊繞組，有效地減小漏感。還有一點(diǎn)非常值得注意，在變壓器中增加屏蔽繞組，這樣能夠有效避免噪聲對(duì)其他元件造成干擾。

4　數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)

4.1　芯片的選擇

在硬件控制方面，PWM選用美國(guó)IT公司制造的TMS320F2812控制專(zhuān)用DSP芯片，具有如下特點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)芯片能夠達(dá)到18K RAM、128KFlash，真正實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字處理與精度模擬結(jié)合，并且能夠用于再開(kāi)發(fā)和軟件升級(jí)的簡(jiǎn)單再編程處理。同時(shí)具有16通道的PWM，3個(gè)定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)每秒16.7M的12位16通道的A/D轉(zhuǎn)換，具有人為設(shè)計(jì)的整套片上系統(tǒng)，整體來(lái)說(shuō)，大大降低了板級(jí)空間和系統(tǒng)成本。在電源控制方面，半橋電路中能夠?qū)崿F(xiàn)MOSFET信號(hào)的自動(dòng)產(chǎn)生、過(guò)流過(guò)壓檢測(cè)與保護(hù)、電壓顯示、鍵盤(pán)輸入等功能。

4.2　變壓器的選擇

變壓器的參數(shù)選擇關(guān)系著數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的數(shù)據(jù)值，在理想狀態(tài)中，如果變壓器二次側(cè)開(kāi)路，則一次側(cè)無(wú)電流流動(dòng)。但事實(shí)并不是如此，二次側(cè)開(kāi)路并不是完全無(wú)電流的，還會(huì)存在小部分激磁電流。激磁電流的產(chǎn)生并不是必然的，而是受到磁芯影響，由一側(cè)繞組電感形成，從理論上來(lái)說(shuō)它具有無(wú)限磁導(dǎo)率。但實(shí)際上不可能將磁導(dǎo)率做的無(wú)限大，否則會(huì)出現(xiàn)磁芯的瞬間飽和，所以選擇變壓器時(shí)應(yīng)該在磁芯方面多加重視，為滿足設(shè)計(jì)要求，可以從兩個(gè)方面考慮：(1)降低漏磁、漏感，兼顧線圈散熱;(2)考慮設(shè)計(jì)所需的功率要求，以免后期設(shè)計(jì)中出現(xiàn)麻煩。具體控制電路結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)圖

5　電路設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

在電路設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果分析中，運(yùn)用MATLAB/Simulink對(duì)開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立PWM子系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)電源數(shù)字PID控制的電路模型。為了將比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)結(jié)合在一起，本系統(tǒng)采取PID調(diào)節(jié)，在三者的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了低誤差、高速度的要求，使PID達(dá)到了很好的調(diào)節(jié)效果。

PID的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd確定后，采用Ziegler—Nichols的參數(shù)整定方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析,首先置Kd=Ki=0，然后增加Kd直至系統(tǒng)振蕩,記下此臨界狀態(tài)下Kd的值Kσ，振蕩周期為T(mén)σ。利用Ziegler—Nichols方法即可確定控制器的Kp、Ki、Kd參數(shù)。仿真分析的數(shù)據(jù)不僅對(duì)三個(gè)參數(shù)的選定起到了參考作用，同時(shí)也給后續(xù)工作的開(kāi)展提供了理論支持，本數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的仿真圖如圖4、圖5所示。

圖4 輸出電壓為32V時(shí)的波形圖

圖5 輸出電流為5A時(shí)的波形

從仿真結(jié)果可以看出，該數(shù)控開(kāi)關(guān)電源具有對(duì)極小調(diào)量的調(diào)節(jié)能力，在短時(shí)間能對(duì)其進(jìn)行鎖定，并使之快速上升，上升時(shí)間短至7 ms，滿足了系統(tǒng)的應(yīng)用要求。設(shè)計(jì)該數(shù)控開(kāi)關(guān)電源模型是通過(guò)Simulink交互式的仿真實(shí)現(xiàn)的，事實(shí)證明該建模方法具有可行性和優(yōu)越性，能夠幫助確定電路參數(shù)，達(dá)到理想控制的目的。

6　結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用數(shù)字PID控制技術(shù)能夠克服電路復(fù)雜、調(diào)整困難等缺點(diǎn)，滿足用戶要求。采用DSP芯片和雙閉環(huán)控方法，不僅能夠保證較快的采樣速度，還能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，保證電源穩(wěn)定和精準(zhǔn)的輸出。此外，數(shù)控開(kāi)關(guān)電源還增加了穩(wěn)流自動(dòng)切換模式，增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)電源的智能化。通過(guò)仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：該數(shù)控開(kāi)關(guān)確實(shí)能夠真實(shí)體現(xiàn)系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)完美操控。

參考文獻(xiàn)：

[1]許海濤,陳少斌,何明華,黃婷婷,魯云飛.基于TNY279的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2011，(02):79-81.

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運(yùn)營(yíng)探討

Research and Implementation of Switching Mode Power Supply Based on Digital Controller

ZHENG Yao

(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)

Abstract:This article introduces a switching mode power supply based on DSP with voltage range of 0 to 32 V, current range of 0 to 5 A and operating frequency of 50 Hz. Its progressive steps of voltage and current are 0.1 V and 0.1 A respectively. The simulation results show that this power supply has excellent regulating performance and it can not only satisfy the accuracy requirement but have great transient response.

Key words:digital controlled switching mode power supply; principle; parameter design; simulation result

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0136-03

作者簡(jiǎn)介：鄭堯(1979-)，男，四川劍閣人，學(xué)士，工程師，講師，研究方向：電子技術(shù)。

收稿日期：2014-12-16