數控開關電源的設計與實現

鄭　堯

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017)

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數控開關電源的設計與實現

鄭堯

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017)

摘要:文中介紹了一款基于DSP的數控電源開關，其電壓的可調范圍在0～32 V，電流的可調范圍是0～5 A，工作頻率為50 Hz，電壓電流的步進值分別為0.1 V和0.1 A。仿真結果表明，該數控開關電源具有極好的調節功能，不僅能滿足精度要求，同時還具有極強的實時性。

關鍵詞：數控開關電源;原理;參數設計;仿真結果

1　數控開關電源簡述

數控開關的創新主要表現在集成電路方面的改進，克服了傳統電源開關的設計缺陷，提高了電源輸出功率。傳統的開關電源主要采用模擬控制技術，通過調節器、比較器來控制輸出電壓，一旦成型很難修改，不利于開關電源的集成化，因此其適用性十分局限。而開關電源的數字化控制就能對這些問題進行妥善解決，達到高效穩定的目的。

數控開關電源的特點：(1)低質量，低消耗。數字開關電源具有質量輕、體積小的優點，而且轉換頻率比較大，損耗較小。開關頻率的增加能夠在極大程度上減少開關損耗，提高電源轉化率。(2)濾波效率高。數控開關電源的頻率是線性電源工作頻率的100倍左右，這樣使得其濾波效率提高了1 000倍，半波整流下的濾波效率也能增加500倍，數控開關電源的體積也隨之減小。(3)穩壓范圍寬。數控開關電源隨輸入電壓的變化進行脈寬調節，能適應較寬的電網電壓。(4)安全可靠。數控開關電源帶有自動保護電路，當電路或輸出等出現短路時，能夠自動關閉輸出。數控開關電源不僅能夠提高電源輸出功率，同時還能通過控制元件的占空比來達到穩壓的目的。

2　數控開關電源的原理

數控開關電源的設計結合雙閉環控制原理和穩壓穩流自動轉換電路原理，不僅使得數控電源開關的電壓電流達到給定值，同時保證了電路工作的穩定。

(1)雙閉環控制原理

為了加快動態響應速度，在數控電源開關設計上采用了雙閉環控制結構，可以直接在控制面板上設置和顯示系統的穩壓、穩流值。雙閉環控制中，電流為內環控制，而電壓則受外環控制，通過PID調節器實現內外環的共同控制。雙閉環控制主要體現在PID的誤差調控，外環控制是指將電壓的輸出值與額定值進行對比，然后通過調控形成電壓控制的外環；內環控制則是PID對電流的控制，將調制后的電流傳輸形成數字脈沖，從而控制開關狀態，達到限流的目的。當工作狀態為穩壓時，電流PID調節會輸出數字脈沖賦值給PWM調制器，電壓環會退出，以電流環為主導，控制開關狀態，實現穩流(見圖1)。

圖1 電壓電流雙閉環控制結構原理圖

(2)穩壓穩流自動轉換電路

穩壓穩流自動轉換是由電壓、電流和負載三方面共同決定的。當電路的工作狀態是穩流時，電壓環處于飽和狀態，不起任何作用，只有內環中的電流處于工作狀態。反之，當電路在穩壓狀態工作時，電流環飽和，電壓環開始工作，且輸出的電壓大于給定值，電流給定,運算放大器處在飽和狀態，電壓與電流環同時工作，這種控制方式被稱為雙環結構。正是由于雙環結構的設計，輸出電壓和電流都能夠穩定在給定范圍附近，穩壓穩流自動轉換電路除了能夠實現電路轉換還能夠保持電源穩值工作。

3　數控開關電源的參數設計

本數控開關電源的輸出電壓Uo=0～32 V，輸出電流Io=0～5 A。其主電路使用半橋型電路，具體設計方案如圖2。經整流濾波實現了交流與直流的轉變，半橋電路能夠較好地完成直流電輸出。

圖2 半橋開關電源主電路

在圖2中，選用MOSFET管作為開關管(S1、S2)。MOSFET管是一個全控型元器件，它只受到電壓的驅動，具有開關速度快、驅動功率小等特點。半橋開關電源電路另一個橋壁是由特性和容量相同的兩個電容 (C1、C2) 組成，每個電容承擔1/2的直流電壓;而另一個橋壁則是由兩個開關 (S1、S2)組成。高頻變壓器T的兩端分別接在兩電容的中點和兩開關的公共端上，通過PWM信號控制兩開關的交替工作，從而形成交流方波電壓。通過對PWM信號占空比調節，能夠改變輸出電壓Uo。R1和R2是阻值相同的泄放電阻，C3是材料為ECS的耦合電容，用途是防止變壓器的磁芯處在飽和狀態，能提高半橋逆變電路對不平衡的抵抗能力。

同時注意繞組線圈的參數設計，一般的排列方式為原邊繞組靠近磁芯，副邊繞組向外排列。如果原邊繞組的一次側的電壓高，二次側的電壓低，則可以采用副邊繞組先靠近磁芯，由反饋繞組和原邊繞組在最外層排放。在設計中如果需要增加線組合耦合，還可以用一半原邊繞組先靠近磁芯，然后再繞反饋和副邊繞組，有效地減小漏感。還有一點非常值得注意，在變壓器中增加屏蔽繞組，這樣能夠有效避免噪聲對其他元件造成干擾。

4　數控開關電源的硬件設計

4.1　芯片的選擇

在硬件控制方面，PWM選用美國IT公司制造的TMS320F2812控制專用DSP芯片，具有如下特點：單個芯片能夠達到18K RAM、128KFlash，真正實現高性能數字處理與精度模擬結合，并且能夠用于再開發和軟件升級的簡單再編程處理。同時具有16通道的PWM，3個定時器，實現每秒16.7M的12位16通道的A/D轉換，具有人為設計的整套片上系統，整體來說，大大降低了板級空間和系統成本。在電源控制方面，半橋電路中能夠實現MOSFET信號的自動產生、過流過壓檢測與保護、電壓顯示、鍵盤輸入等功能。

4.2　變壓器的選擇

變壓器的參數選擇關系著數控開關電源的數據值，在理想狀態中，如果變壓器二次側開路，則一次側無電流流動。但事實并不是如此，二次側開路并不是完全無電流的，還會存在小部分激磁電流。激磁電流的產生并不是必然的，而是受到磁芯影響，由一側繞組電感形成，從理論上來說它具有無限磁導率。但實際上不可能將磁導率做的無限大，否則會出現磁芯的瞬間飽和，所以選擇變壓器時應該在磁芯方面多加重視，為滿足設計要求，可以從兩個方面考慮：(1)降低漏磁、漏感，兼顧線圈散熱;(2)考慮設計所需的功率要求，以免后期設計中出現麻煩。具體控制電路結構圖見圖3。

圖3 控制電路結構圖

5　電路設計及仿真結果

在電路設計的仿真結果分析中，運用MATLAB/Simulink對開關電源的數字控制系統進行仿真，建立PWM子系統和開關電源數字PID控制的電路模型。為了將比例調節、積分調節和微分調節結合在一起，本系統采取PID調節，在三者的共同作用下，實現了低誤差、高速度的要求，使PID達到了很好的調節效果。

PID的三個參數Kp、Ki、Kd確定后，采用Ziegler—Nichols的參數整定方法進行穩定性分析,首先置Kd=Ki=0，然后增加Kd直至系統振蕩,記下此臨界狀態下Kd的值Kσ，振蕩周期為Tσ。利用Ziegler—Nichols方法即可確定控制器的Kp、Ki、Kd參數。仿真分析的數據不僅對三個參數的選定起到了參考作用，同時也給后續工作的開展提供了理論支持，本數控開關電源的仿真圖如圖4、圖5所示。

圖4 輸出電壓為32V時的波形圖

圖5 輸出電流為5A時的波形

從仿真結果可以看出，該數控開關電源具有對極小調量的調節能力，在短時間能對其進行鎖定，并使之快速上升，上升時間短至7 ms，滿足了系統的應用要求。設計該數控開關電源模型是通過Simulink交互式的仿真實現的，事實證明該建模方法具有可行性和優越性，能夠幫助確定電路參數，達到理想控制的目的。

6　結束語

運用數字PID控制技術能夠克服電路復雜、調整困難等缺點，滿足用戶要求。采用DSP芯片和雙閉環控方法，不僅能夠保證較快的采樣速度，還能夠實現復雜的控制算法，保證電源穩定和精準的輸出。此外，數控開關電源還增加了穩流自動切換模式，增強了開關電源的智能化。通過仿真結果可以得出結論：該數控開關確實能夠真實體現系統的性能，實現完美操控。

參考文獻：

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運營探討

Research and Implementation of Switching Mode Power Supply Based on Digital Controller

ZHENG Yao

(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)

Abstract:This article introduces a switching mode power supply based on DSP with voltage range of 0 to 32 V, current range of 0 to 5 A and operating frequency of 50 Hz. Its progressive steps of voltage and current are 0.1 V and 0.1 A respectively. The simulation results show that this power supply has excellent regulating performance and it can not only satisfy the accuracy requirement but have great transient response.

Key words:digital controlled switching mode power supply; principle; parameter design; simulation result

中圖分類號：TN86

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0136-03

作者簡介：鄭堯(1979-)，男，四川劍閣人，學士，工程師，講師，研究方向：電子技術。

收稿日期：2014-12-16