開關電源數模混合測控系統硬件電路設計與實驗

摘要：采用UCC3895芯片與單片機相結合的方案設計了直流開關電源數模混合測控系統。閉環系統包括電壓環與限流環，電壓環使輸出穩定在設定值上，限流環解決了負載突變問題，調節器和保護電路的設計使系統穩定且安全運行，單片機完成了系統故障的實時監測、顯示與保護。最后研制了一套輸出為270V的直流開關電源測控系統，實驗結果良好。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170164.htm

關鍵詞：開關電源；UCC3895；測控系統

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.012

引言

大中功率直流開關電源一般采用移相全橋DC/DC變換器 。實現全橋變換器的移相控制主要有以下三種方法：（1）采用分立器件進行邏輯組合；（2）采用DSP或CPLD實現數字控制；（3）采用專用集成控制芯片 。采用分立器件進行邏輯組合構成的模擬控制電路結構復雜，不利于開關電源小型化；采用DSP或CPLD實現數字控制的成本較高，且存在數字電路延遲；采用專用的集成控制芯片電路簡單且成本較低。第三種方法中可以采用UCC3895芯片來產生PWM控制波形，UCC3895是一款優良的移相全橋控制芯片，有電壓和電流兩種控制模式，占空比可從0%～100%， 且可以為零電壓開關（ZVS）提供高效高頻的解決方案。國內外常用的移相全橋反饋模式為電流模式 ，但其雙閉環控制電路復雜，不易實現。

由于單電壓環反饋模式簡單有效的優點，本文基于UCC3895移相全橋控制芯片采用單電壓環加限流環的反饋模式和單片機相結合設計了直流開關電源數字模擬混合測控系統，詳細設計了閉環系統、控制器參數、保護電路，顯示電路，調壓電路，并對測控系統進行了實驗。

系統方案

采用應用廣泛的TI公司生產的UCC3895芯片與單片機相結合的方案設計了直流開關電源數字模擬混合測控系統。如圖1所示，利用UCC3895對DC/DC變化器主電路進行PWM移相控制，并與單片機相結合來實現對主電路的檢測與反饋控制，以及輸出過壓，過流，過溫等保護。其中，所選單片機型號為美國微芯公司生產的PIC16F873單片機。PIC16F873共28個引腳，內部自帶5個10位A/D通道，2個定時計數器，2個脈寬調制（PWM）通道。

UCC3895外圍電路設計

如圖4所示，UCC3895的EAN腳為內部誤差放大器反相輸入端，E A O U T腳為誤差放大器輸出端，R 3、R 4、R 6、C 1、C 2、C 3構成了閉環控制系統的電壓調節器，輸出電壓Vo經過電阻分壓接到電壓調節器反相輸入端構成反饋電壓，改變可調電阻R2的值可以改變電源輸出電壓。RT、CT可以實現開關頻率的設定，A D S腳為自適應延遲死區時間設置端，接地表示輸出延遲死區時間設為最大。限流調節器輸出端也接到UCC3895的EAOUT腳，故障保護電路接到CS腳實現電源系統的故障保護功能。

故障保護電路設計

UCC3895的CS腳有過流保護功能，當CS腳電壓高于2.5V時，UCC3895芯片將會被軟關斷，驅動脈沖被封鎖，CS腳低于2.5V，芯片將進入下一個軟啟動過程。如圖5所示，保護電路的設計就是基于CS腳的過流保護功能，正常情況下保護電路的輸出為低電平，一旦出現輸出過壓、過流、過溫等故障，相應的電壓比較器輸出高電平，同時故障信號被單片機檢測，通過單片機數字控制也可使電壓比較器輸出為高電平，開關管T1導通，輸出一個高于2.5V的高電平至CS腳，使芯片封鎖驅動信號，從而使主電路停止工作，實現電源系統的數字模擬雙重保護功能。

限流值可調的限流環電路設計

單片機與外圍電路設計

單片機部分外圍電路和電源狀態顯示電路分別如圖7和圖8所示。單片機部分引腳功能分配如下：AN0腳是限流信號檢測，AN1腳是輸出電壓檢測，AN2腳是輸出電流檢測，AN4腳是溫度檢測，其中AN0、AN1、AN2、AN4腳均為A/D轉換端口。CCP2腳（PWM端口）提供可調的限流調節器的限流參考值，CCP1腳（PWM端口）提供可調的電壓調節器的輸出電壓參考值，SCK、SDO、RB4腳用于電源狀態顯示，RB1腳（I/ O口）為單片機數字控制。單片機通過SPI（同步串行通訊）向移位寄存器SN74HC164發送電源當前工作狀態數據，由移位寄存器把串行數據轉換為并行數據并輸出給顯示模塊。單片機RB4腳（I/O口）控制發光二極管的供電電壓，在剛開機還沒有采集工作狀態之前，保證所有二極管不工作。單片機SCK（時鐘）腳接在三個移位寄存器的脈沖輸入口（CLK）作為脈沖輸入。單片機SDO（SPI通訊數據輸出）腳接到移位寄存器的數據輸入口（A、B腳），并把三個移位寄存器接到一起串聯使用。通過數碼管實時顯示輸出電流值，通過4個LED燈圖11 突加突減負載電壓波形的亮滅表示電源當前的工作狀態，其中發光二極管D4（綠燈）燈亮表示電源正常工作，D3（紅燈）燈亮表示輸出過壓故障，D2（紅燈）燈亮表示輸出限流，D1（紅燈）燈亮表示過溫故障。

調壓電路設計

單片機CCP1腳為PWM波端口，可以通過調節PWM波的占空比產生不同的電壓。如圖9所示，PWM信號經過濾波電路由數字量轉變為模擬量輸入到由運放5構成的電壓跟隨器進行緩沖與隔離，該模擬電壓與參考電壓VDD疊加構成分壓電路，分壓信號輸入到由運放6構成的電壓跟隨器正向輸入端。輸出端經過濾波電路接到UCC3895芯片電壓調節器參考電壓端（EAP）。改變CCP1的PWM波占空比即可調整電壓調節器參考電壓，進而改變電源輸出電壓。圖中由R2、R3、R4構成的分壓電路可以設定PWM占空比為最低時電壓調節器參考電壓的最低值，保證電源電壓的最低輸出。可調電阻R2的作用是調節電壓調節器參考電壓的范圍，改變R2的值，在輸出占空比范圍不變的情況下，輸出參考電壓的范圍可以進行調整，進而改變電源輸出電壓的范圍。圖12 過載限流波形

實驗及結果

圖10是直流開關電源上電輸出電壓瞬態波形，上電輸出瞬態電壓的超調量為1.1%，調整時間為50ms，穩態誤差為0.5V。圖11是直流開關電源突加突減負載輸出電壓瞬態波形，突加突減負載輸出瞬態電壓的恢復時間為30ms，電壓動態降落為22%。圖12是突加過載限流波形，過流后限流環起作用，通過調節輸出電壓，使得電流很快限制在限流值上。

由實驗波形可知開關電源數模混合測控系統方案可行，調節器參數選取合理，系統的動靜態性能和抗擾性能良好。

本文基于U C C 3 8 9 5芯片和PIC16F873單片機設計了直流開關電源數模混合測控系統。實驗結果表明，測控系統設計合理，參數選擇正確。