直流數(shù)字穩(wěn)壓電源實(shí)例開發(fā)

朱友秀

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.052

摘 要：直流電源的用途廣泛，現(xiàn)今較為常見的直流電源多采用的是輸入220V的交流電，輸出電壓則在1～300V的區(qū)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可連續(xù)調(diào)節(jié)。為了使得直流電源具有較強(qiáng)的適用性，開發(fā)一種功率密度高、功率因數(shù)高、高效率的直流數(shù)字穩(wěn)壓電源，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中選用APFC作為輸入級(jí)以全橋變換器作為主功率變換拓?fù)洌谥绷鲾?shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中使用C2000系列的控制器作為直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的主控芯片。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源在電源控制上選用基于峰值的電流模式的移相控制作為開發(fā)策略。本文將就直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)開發(fā)要點(diǎn)進(jìn)行分析介紹。

關(guān)鍵詞：直流數(shù)字穩(wěn)壓電源 APFC 移相控制

中圖分類號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（a）-0052-02

直流數(shù)字穩(wěn)壓電源是一種在工業(yè)生產(chǎn)和生活中應(yīng)用十分廣泛的電源。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程中需要注意做好直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的保護(hù)和抗電壓、電流過載的能力。Boost電路在PFC中有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)使用Boost電路作為輸入級(jí)時(shí)，能夠有效地提高直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的功率因數(shù)，同時(shí)減少電路中的諧波產(chǎn)生。全橋拓?fù)涫且环N大功率電源中有著良好應(yīng)用的拓?fù)溥x擇，通過在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中選用移相控制策略將能夠使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而有效消除直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中開關(guān)頻率的限制，提高了直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的可用性。

1 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理

在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程中主要涉及到AC-DC/DC-DC兩大轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，前一環(huán)節(jié)首先將AC電轉(zhuǎn)換為DC電，而后為實(shí)現(xiàn)DC電壓可調(diào)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)電路。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在AC-DC級(jí)中選用的是Boost拓?fù)渫ㄟ^特定的控制方法來實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)的校正，減少直流數(shù)字穩(wěn)壓電源所產(chǎn)生的諧波量。在DC-DC級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)為使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠具有良好的可調(diào)節(jié)性，在電路上選用的是移相全橋電路，在消除變壓器所帶來的偏磁的同時(shí)還具有良好的電壓相應(yīng)性。此外，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制中還實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。

2 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)

在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)DC-DC級(jí)選用的是有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC），通過采用APFC將能夠使直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的功率因數(shù)得到提高，減少電流的畸變。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，從交流端所輸入的電流經(jīng)過橋式二極管整流后進(jìn)入DC-DC變換級(jí)，通過硬件整形控制使得輸出電流能夠跟蹤輸入整流電壓波形，保障輸出電壓的穩(wěn)定性和波形的跟蹤性。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)中，主要包含有兩個(gè)主要的控制環(huán)：電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，其中電流內(nèi)環(huán)主要用于保障輸入電流波形能夠良好的跟蹤輸入電壓波形，且兩者之間無明顯的相位偏差。而電壓外環(huán)則主要用于確保交流電經(jīng)過變壓器變換后能夠有穩(wěn)定的輸出。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制器選用的是UCC28019，其所具有的良好的保護(hù)功能能夠?qū)χ绷鲾?shù)字穩(wěn)壓電源形成良好的保護(hù)。Boost-PFC電路主要分為濾波部分、控制部分以及主電路部分。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的移相全橋電路在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于電路所使用元器件參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)將最高輸出電壓作為輸出電壓進(jìn)行考慮。在移相全橋DC-DC主電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用4個(gè)MOSFET開關(guān)管用以組成一個(gè)全橋電路，用以將AC-DC轉(zhuǎn)換所形成的直流電壓轉(zhuǎn)換成方波交流電，待到轉(zhuǎn)換完成后經(jīng)過變壓器的變壓及隔離，而后使用全橋的變壓整流特性輸出整流后的方波直流電壓，整流方波直流電壓經(jīng)過后續(xù)電路的濾波電路將最終輸出所需的直流電壓。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的橋式拓?fù)渲饕峭ㄟ^利用開關(guān)管的特性利用增加開關(guān)管的數(shù)量的方式用以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)中所采用的全橋整流方式與其他方式相比較省去了直流數(shù)字穩(wěn)壓電源硬件變壓器中的中心抽頭，從而使得變壓器的次級(jí)繞組匝數(shù)得到了有效減少。通過選用這一硬件設(shè)計(jì)方式將能夠使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠應(yīng)用于一些電流較大、電壓較高的場合，且通過簡化直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)使其具有良好的性價(jià)比。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源軟開關(guān)功能的設(shè)計(jì)上，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中通過采用軟開關(guān)技術(shù)將能夠有效地降低甚至是消除直流數(shù)字穩(wěn)壓電源硬件中所使用的開關(guān)管在工作過程中所產(chǎn)生的電壓或是電流重疊問題，降低直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的開關(guān)管的電壓及電流的變化率從而使得開關(guān)管的有用功率得到提升，通過這一方式將能夠使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源獲得更高的開關(guān)頻率。移相全橋主要利用的是直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的開關(guān)管的寄生輸出電容和變壓器原邊漏感之間的諧振，從而實(shí)現(xiàn)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的軟開關(guān)，而為了增強(qiáng)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的諧振效果，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)上需要在開關(guān)管邊并聯(lián)電容并在變壓器初級(jí)串聯(lián)一個(gè)小電感用以增強(qiáng)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的諧振特性。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)中主要使用C2000系列的控制芯片，這一系列的芯片所具有的特性能夠在應(yīng)用于本直流數(shù)字穩(wěn)壓電源所采用的移相全橋電路中發(fā)揮出較為良好的效果。在移相全橋控制電路中，所使用的C2000系列芯片能夠產(chǎn)生PWM控制波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)全橋的兩個(gè)臂橋。待到直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的全橋電路正常工作時(shí)將會(huì)在主動(dòng)電路中形成一定的電壓和電流，經(jīng)過采樣后的電壓和電流將與控制電路中的參考電壓、電流進(jìn)行對(duì)比并跟進(jìn)對(duì)比的結(jié)果輸出PWM控制波，用以得到所需的電壓和電流輸出。

3 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的數(shù)字式移相全橋的軟件設(shè)計(jì)

在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制中主要采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)所使用的電壓環(huán)完成對(duì)于直流數(shù)字穩(wěn)壓電源輸出電壓的采樣，而后將采樣信號(hào)與直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的參考電壓相對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果輸送到直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的數(shù)字控制器中。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源所使用的數(shù)字控制器通過輸出與一定斜坡補(bǔ)償進(jìn)入到電流控制環(huán)中，直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的電流內(nèi)環(huán)通過將電壓環(huán)中的電流峰值與采樣電流值進(jìn)行對(duì)比用以實(shí)現(xiàn)對(duì)于直流數(shù)字穩(wěn)壓電源輸出電流、電壓的調(diào)節(jié)。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程中，通過采用TMS320F28027芯片來進(jìn)行直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的數(shù)字式軟件控制設(shè)計(jì)。根據(jù)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制特性來對(duì)控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中控制程序主要分兩大部分：C語言和匯編語言。

4 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的測試

在完成了對(duì)于直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源去主要目的是將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為所需要電壓的直流電，同時(shí)輸入側(cè)還具有較高的功率因數(shù)。此外，還需要對(duì)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源輸出的穩(wěn)定性、輸出的效率進(jìn)行一定的測試。

5 結(jié)語

直流數(shù)字穩(wěn)壓電源在工業(yè)上應(yīng)用較多，通過對(duì)設(shè)計(jì)完成后的直流數(shù)字穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所采用的有源功率因數(shù)校正電路工況特性良好，且能夠在工作中有效地提高直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的功率因數(shù)，此外電源所具有的軟開關(guān)特性在降低了開關(guān)損耗的同時(shí)提高了電源的功率密度和效率。

參考文獻(xiàn)

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