數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計

文/賈寶龍

隨著社會行業(yè)的發(fā)展，市場中數(shù)字開關(guān)電源的占比逐漸增加，而且行業(yè)中數(shù)字開關(guān)電源的應(yīng)用過程中比較注重性能指標(biāo)，進(jìn)而對數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計提出了更高的要求。數(shù)字開關(guān)電源逐步取代了傳統(tǒng)的電源，改進(jìn)了傳統(tǒng)電源的性能，強(qiáng)調(diào)數(shù)字開關(guān)電源的控制性能及安全性能，規(guī)范數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計過程，增強(qiáng)數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用。

1　數(shù)字開關(guān)電源的硬件配置

1.1　電路設(shè)計分析

數(shù)字開關(guān)電源的控制電路是核心的部分，電路要和硬件配置相互結(jié)合，確保數(shù)字開關(guān)電源工作過程的可靠性?，F(xiàn)階段數(shù)字開關(guān)電源電路設(shè)計采用數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。數(shù)字開關(guān)電源電路采用高度集成化的設(shè)計方法，提高電路設(shè)計的精確性。本文以某數(shù)字開關(guān)電源為例，分析電路設(shè)計的方法。該案例中主電路采用全橋式的設(shè)計方法，控制方法選擇了PWM，控制過程中配置了過流保護(hù)、過壓保護(hù)以及軟啟動的方法。

數(shù)字開關(guān)電源電路設(shè)計的核心是ARM芯片中的M0516LAN，芯片采集數(shù)字開關(guān)電源中的電壓信號與電流信號，之后自動傳送到芯片中的A/D接口完成轉(zhuǎn)換工作，接下來ARM處理器會接收信號并實(shí)行數(shù)據(jù)的計算與處理，從主電路中輸出對應(yīng)的PWM波形信號，此類信號在隔離驅(qū)動的作用下控制好數(shù)字開關(guān)電源的斷開與接通，獲取數(shù)字開關(guān)電源中的電壓和電流。

數(shù)字開關(guān)電源電路中的控制系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測電路內(nèi)的電流與電壓，對比數(shù)字開關(guān)電源中預(yù)先設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，分析電路中是否有電流異?；蛘唠妷寒惓５那闆r，避免發(fā)生電源事故，全面保護(hù)好數(shù)字開關(guān)電源的電路運(yùn)行，同時還能方便人員監(jiān)控數(shù)字開關(guān)電源的應(yīng)用。在數(shù)字開關(guān)電源電路設(shè)計中還要專門設(shè)計可顯示的電路，監(jiān)督數(shù)字開關(guān)電源電路的運(yùn)行，降低安全事故的發(fā)生機(jī)率。

1.2　硬件配置

首先是電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的設(shè)計，主要是預(yù)防數(shù)字開關(guān)電源中的共模干擾，提高電源結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。數(shù)字開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)中存在差模電容和共模電容，為了消除電容中引起的干擾問題，需要在電路結(jié)構(gòu)中安裝差模噪聲濾波器，專門用于預(yù)防差模噪聲，金屬膜電容的參數(shù)調(diào)整為0.1～1.0μF，電路結(jié)構(gòu)中規(guī)定共模電容的容量參數(shù)不能超過規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)置為2200～4700pF。

然后是變換器的應(yīng)用，變換器可以為數(shù)字開關(guān)電源提供有效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其為電路硬件中的首選結(jié)構(gòu)。變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠承受數(shù)字開關(guān)電源中的低壓，降低可承受的壓差，數(shù)字開關(guān)電源電路中安裝了大量的電感元件，此類元件能夠在變換器的作用下降低對主電路的瞬時高頻沖擊作用，而且變換器本身具有非常低的電磁干擾與射頻干擾，符合數(shù)字開關(guān)電源硬件配置的要求。變換器配置時采用的是Boost電路，以變換器配置為主規(guī)定了元件的設(shè)計指標(biāo)，如：

（1）電路輸出直流電壓為400V；

（2）電路輸入交流電壓是220V±20%；

（3）輸出額定功率是600W；

（4）數(shù)字開關(guān)電源中的開關(guān)頻率是80kHz；

（5）數(shù)字開關(guān)電源硬件的工作效率不能低于96%；

（6）電源系統(tǒng)中的功率因數(shù)不能低于0.99。

最后是數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計中的輔助電源，輔助電源同樣采用了數(shù)字化的控制電路，規(guī)定好輔助電源不同功率對應(yīng)的功耗，其在工作狀態(tài)下最大功率的標(biāo)準(zhǔn)值是420mW，輔助類型的元器件功耗不能超過3W。

2　數(shù)字開關(guān)電源的軟件配置

本文以電容老化之前的充電預(yù)處理為例，分析該應(yīng)用下數(shù)字開關(guān)電源的軟件配置，數(shù)字開關(guān)電源工作時選用的是多段充電的方法，匹配好電流與檔位，限定好電源系統(tǒng)中的電流，完成充電的過程。數(shù)字開關(guān)電源的軟件有著較強(qiáng)的控制作用，從控制算法、主程序設(shè)計以及A/D中斷子程序3個方面，分析數(shù)字開關(guān)電源的軟件配置。

2.1　控制算法

該案例中數(shù)字開關(guān)電源中采用的是數(shù)字化PID控制，主要是因?yàn)镻ID控制具有可靠、穩(wěn)定的作用，所以能夠在簡單的流程中完成有效的控制。PID在數(shù)字開關(guān)電源中已經(jīng)逐步成熟，利用比例、積分和微分的方法控制數(shù)字開關(guān)電源的運(yùn)行。PID控制算法中配置了不同類型的PID算式，常見的有增量式PID與位置式PID，按照數(shù)字開關(guān)電源的控制流程執(zhí)行控制算法。

2.2　主程序設(shè)計

主程序在數(shù)字開關(guān)電源中負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化，檢測電源的開關(guān)機(jī)，之后進(jìn)入到主程序循環(huán)的狀態(tài)中，準(zhǔn)備好中斷處理。主程序中需要初始化設(shè)置常量、變量，同時設(shè)置好I/O口、A/D口和PWM輸出口。數(shù)字開關(guān)電源主程序的應(yīng)用流程為：開機(jī)→系統(tǒng)初始化→讀取按鍵狀態(tài)→進(jìn)入相應(yīng)工作模式→結(jié)束。

2.3　A/D中斷子程序

A/D中斷子程序在數(shù)字開關(guān)電源軟件中負(fù)責(zé)讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在系統(tǒng)中利用AD轉(zhuǎn)換結(jié)果條用PID調(diào)節(jié)子程序，之后再輸出PWM波形，用于控制數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計。A/D中斷子程序的工作模式為：AD中斷服務(wù)程序入口→斷電保護(hù)并關(guān)閉總中斷→讀取并保存輸出電壓、電流采樣值→過壓過流→調(diào)用PI子程序→恢復(fù)現(xiàn)場并中斷返回→AD中斷服務(wù)程序結(jié)束，其中過壓電流環(huán)節(jié)可以斷開PWM輸出，重新回到讀取并保存輸出電壓、電流采樣值階段。

3　結(jié)束語

數(shù)字開關(guān)電源的控制性強(qiáng)，詳細(xì)設(shè)計好數(shù)字開關(guān)電源的電路，同時做好硬件配置與軟件配置的工作，提高數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計的準(zhǔn)確性，避免在行業(yè)中出現(xiàn)問題。數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計的過程中一定要注意各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，由此才能保障數(shù)字電源設(shè)計的可靠性。