PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1、    pwm開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jì)。實(shí)驗(yàn)表明各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)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?！娟P(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(diǎn)是：性能價(jià)格比效率高，可靠性和穩(wěn)定性好，對(duì)供電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不敏感，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)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

2、競(jìng)爭(zhēng)中具有先導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。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(jì)。該電源的特點(diǎn)是進(jìn)一步降低電源輸出波紋，實(shí)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(diǎn)（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(duì)dc48v蓄電池充電。具有欠壓、過放電報(bào)警功能。過放電時(shí)自動(dòng)切斷放電回路。（5）當(dāng)負(fù)載電流過大時(shí)，內(nèi)置的電流分配系統(tǒng)將自動(dòng)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(shí)，自動(dòng)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(shí)，電源由恒壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為恒流

3、狀態(tài)， 恒流工作點(diǎn)連續(xù)可調(diào)。（8）充電電流限流點(diǎn)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(shí)， 發(fā)出聲光報(bào)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(bào)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(hào)驅(qū)動(dòng)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。控制器完成電壓的ad變換并實(shí)現(xiàn)電壓值的外部設(shè)置和實(shí)時(shí)顯示，

4、同時(shí)控制模塊輸出脈寬調(diào)制信號(hào)（pwm），從而控制boost電路的輸出電壓。該輸出電壓可在3036v范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)節(jié)。最大輸出電流達(dá)2a。設(shè)計(jì)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(jì)3.1mos管驅(qū)動(dòng)電路由于單片機(jī)i/o口的驅(qū)動(dòng)能力弱不足以驅(qū)動(dòng)mosfet，所以要增加專用的mosfet電路。設(shè)計(jì)中采用采用美國(guó)ir公司推出的高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器件具有獨(dú)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116

5、mw；輸出的電源端（腳3vcc，即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍1020v；其邏輯輸入電壓只需3.320v，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(dòng)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(shí)驅(qū)動(dòng)雙mos管，因而系統(tǒng)只涉及一個(gè)mos管，故只使用一路驅(qū)動(dòng)即可。3.2 stc12c2052ad控制器系統(tǒng)中控制器不斷檢測(cè)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

6、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(hào)，經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)boost升壓電路。stc系列單片機(jī)為單時(shí)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(jì)中充分利用這兩個(gè)功能來構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。3.3緩沖電路設(shè)計(jì)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(huì)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(chǎng)合下只考慮關(guān)斷過程的緩沖即可。最簡(jiǎn)單的緩沖電路

7、就是附加緩沖電容，但在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)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(shí)可將二級(jí)管并聯(lián)到電阻兩端以減小時(shí)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(shí)間應(yīng)大于開關(guān)管的電壓上升時(shí)間與電流下降時(shí)間之和，通?？梢赃x擇為開關(guān)周期的1/1001/200電容理論值大約為6.7nf。多次試驗(yàn)顯示，保護(hù)吸收電路的電阻應(yīng)取k級(jí)，電容取nf級(jí)即可。3.4采樣電路設(shè)計(jì)為了實(shí)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?yàn)閱纹瑱C(jī)adc的參考電壓為5v不能直接對(duì)

8、輸出電壓進(jìn)行變換，因此需要對(duì)輸出電壓分壓后再采樣。采用對(duì)輸出的1/10分壓，分壓電路用簡(jiǎn)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(duì)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(shí)流過采樣電阻的電流通常比較大，因而溫度也會(huì)隨之上升。另外采樣電阻阻值取大一點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定度有好處，但會(huì)使系統(tǒng)效率下降，折中考慮取r=0.5。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)控制算法為了通過反饋調(diào)節(jié)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中加入了pid控制算法

9、，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(hào)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(hào)的調(diào)整值。為了簡(jiǎn)化程序該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇p算法（pid算法的一種簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致輸出振蕩大，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。因stc單片機(jī)速度較快所以課題中kp選擇不必太大，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期穩(wěn)壓功能即可。4.2控制程序設(shè)計(jì)流程根據(jù)課題要實(shí)現(xiàn)的功能及要求，單片機(jī)軟件的控制部分程

10、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(jì)過流保護(hù)模塊采用軟件編程實(shí)現(xiàn)， 當(dāng)電流超過系統(tǒng)最大工作電流時(shí)， 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(cè)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(shí)電容取1600f，電感為820mh，電阻為30?？煽闯觯诓豢紤]損耗時(shí)電壓可以升35v以上；在實(shí)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3036v步進(jìn)調(diào)整，最大輸出電流2a。改變電源的負(fù)載，對(duì)不同負(fù)載下的輸出電壓進(jìn)行測(cè)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）/36.011.7%對(duì)不同輸入電壓下的電流、電壓進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算出變換器的效率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1變換器效率測(cè)試（不含單片機(jī)等控制電路）6.結(jié)論在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員增加了電源的數(shù)控功能利用boost電路實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換，采用單片機(jī)完成數(shù)字控制，軟件編