一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现

1万 · 2014-5-21 23:32

1 引言

　　近年来，数字化在电源领域得到广泛应用，许多电子设备要求电源具有多档级。因此，这里提出了一种利用数字控制、电压可调的开关电源设计方案，实现电压步进调整，并具有宽电压输入、稳压输出功能。

　　2 设计方案

　　方案系统设计框图如图1所示，输入为220 V，50 Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18 V的直流电压，送入Boost电路，经滤波输出直流。CPLD与单片机组成的数字控制模块输出脉宽调制信号(PWM)，由按键控制改变PWM占空比，从而控制Boost电路的输出电压。该输出电压可在30~36 V范围内步进调节，实现多路电压输出。最大输出电流高达2 A。

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　输出电压经MAXl97 A/D采样，送至控制模块，通过PID算法计算调整下一次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入，稳压输出的功能。

　　3 硬件电路设计

　　3．1 硬件电路图

　　系统硬件电路如图2所示。交流电压经变压器转换，其幅值按一定比例降低。降低的交流电压经扁桥式整流电路整流为18 V直流，经2 200μF电容滤波后进入主转换电路与Boost电路。

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　　在Boost转换电路中，增加MOSFET和二极管缓冲吸收电路，减小过压或过流引起的损耗。由于电源功率较小，则采用RC吸收电路。当过流、过压产生时，电流通过电阻以热能的形式将能量散发出去，降低对MOSFET的影响，减小其损耗，延长使用寿命。根据多次试验，保护吸收电路的电阻应取kΩ级，电容取nF级。直流信号再经低通滤波器滤除纹波，驱动负载。

　　3．2 主要功能电路原理

　　硬件电路部分的主要电路是Boost电路，它由功率开关管VT、储能电感L、续流二极管VD和滤波电容C组成。开关管按一定频率工作，转换周期为T，导通时间为Ton，截止时间为Toff，占空比D=Ton/T。其工作原理为：当VT导通时，电感L储能，VD反偏截止，负载由电容C提供电能；VT截止时，L两端电压极性相反，VD正偏，同时为负载和滤波电容C提供能量。

　　由储能电感L导通和截止期间，电流变化量相等可得，输出电压U0和输入电压U1之间关系为：

U0/Ui=1/(1一D) (1)

　　3．3 器件选取

　　根据理论计算，功率开关采用晶体管即可满足要求，故系统采用IRF540型MOS管，其VDS=100 V，IDS=17 A。采用MOS管专用驱动器件IR2110完成驱动功能。IR2110是一款高低电平驱动器件，其逻辑输入电压只需3．3 V，输出电压最大可达20 V，驱动电流最大可达到2 A。其延迟时间为10ns，上升沿和下降沿时间分别为120 ns和94 11s。由于IR2110可同时驱动双MOS管，因而系统只涉及一个MOS管，故只使用一路驱动即可。

1万 · 2014-5-21 23:33

由于普通二极管的反向恢复时间过长，而肖特基整流管无电荷储存问题，可改善开关特性。其反向恢复时间缩短到10 11s以内。但其反向耐压值较低，一般不超过100 V。因此肖特基二极管适用于低压、大电流状态下工作，并可利用其低压降提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。

　　3．4 重要参数的计算

　　滤波电容的选取，可根据

　　当开关管工作频率取F=40 kHz时，设纹波电压约为30～50 mV，则计算得到C数量级为1 000μF。实际调试后取电容为2 200μF。

　　储能电感的选取，可根据：

点击看原图

　　设计过程中，设置纹波电流△iL=O．4 A，计算得到L数量级为l mH，实际调试后取电感为0．79 mH。

1万 · 2014-5-21 23:33

　　4 软件设计

　　选择CPLD和51系列单片机组合设定数字控制和输出电压步进。用单片机控制整个系统。软件设计除设定初始电压值，还包含PID算法程序，以及调整PWM占空比。可编程逻辑器件CPLD可直接生成PWM波控制开关管驱动器。

　　4．1 PWM波产生

　　PWM波的产生采用Verilog HDL硬件描述语言在CPLD中实现。信号频率设定为40 kHz，采用DDS方式步进频率可精确至1 Hz。使用QuartusⅡ自带的工具生成PLL器件，将外界晶体振荡器输入的频率倍频至100 MHz。由DDS公式，可得：

　　式中：k为累加系数；Fin为输入频率；n为计数器位数。

　　当键盘键入所需电压U0，单片机内转化为占空比DY=1一(Ui／U0)。累加器开始累加时输出高电平，当DY达到计数值时变为低电平，最终可得精确频率下占空比可调的PWM控制信号。

1万 · 2014-5-21 23:33

　4．2 PI控制算法

　　为通过反馈调节控制信号实现稳压，系统软件设计中加入了PID控制算法，即单片机中将给定电压值与采样反馈电压值比较，利用偏差的比例、积分、微分线性组合调整PWM信号的占空比，进而达到稳压。常用的PID算法形式为：

　　式中：KP、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；e(k)为偏差；u(k)为所需控制信号的调整值。

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　该系统设计选择PI算法(PID算法的一种简单形式)，即令Kd为零，只考虑比例系数和积分系数。因此，系统稳压控制的优劣取决于参数Kp、Ki。Kp越大，系统反应越灵敏，但Kp偏大会导致输出振荡大，调节时间延长，所以应谨慎选择。积分系数的运用可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。PI算法流程如图3所示。图3中引入了积分分离式算法，减少积分校正对控制系统动态性能的影响。即在控制开始阶段或电压值大幅度变化时，取消积分校正；而当实际电压值与设定值的误差小于一定值时，恢复积分校正作用。积分分离式算法既保持积分作用，又减小超调量，改善控制系统的性能。经实验确定，可实现稳压功能。

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　　4．3 仿真验证

　　Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模仿真的一个软件包。采用powersystem库模型，将系统设计的仿真电路连接如图4所示。脉冲产生器产生固定频率和占空比方波，控制MOS开关管。电流和电压测量器将模拟的电流和电压量化送至示波器。仿真中器件参数根据实际设计选取：输入电压为18 V，开关管的控制脉冲(PWM波)频率为40 kHz，占空比60％，电容取2 200μF，电感为1 mH，电阻为18 Ω。得到的电流电压波形图如5所示。通过仿真可看出，在不考虑损耗时电压可以升36 V以上，电流也可以达到2．4A；在实际电路中因存在损耗，通过调整占空比达到了输出电压30～36 V步进调整．最大输出电流2 A。

1万 · 2014-5-21 23:34

　　5 结语

　　利用Boost电路实现了系统设计的升压转换，采用CPLD和单片机完成数字控制，软件编程得到PWM信号，通过调整占空比实现输出电压数字调节。而运用PI算法则是本系统设计的亮点，完美实现了宽输入，稳压输出。

一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现

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