直流數字穩(wěn)壓電源實例開發(fā)

朱友秀

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.052

摘 要：直流電源的用途廣泛，現(xiàn)今較為常見的直流電源多采用的是輸入220V的交流電，輸出電壓則在1～300V的區(qū)間范圍內實現(xiàn)可連續(xù)調節(jié)。為了使得直流電源具有較強的適用性，開發(fā)一種功率密度高、功率因數高、高效率的直流數字穩(wěn)壓電源，在直流數字穩(wěn)壓電源的設計中選用APFC作為輸入級以全橋變換器作為主功率變換拓撲，在直流數字穩(wěn)壓電源的設計中使用C2000系列的控制器作為直流數字穩(wěn)壓電源的主控芯片。直流數字穩(wěn)壓電源在電源控制上選用基于峰值的電流模式的移相控制作為開發(fā)策略。本文將就直流數字穩(wěn)壓電源的設計開發(fā)要點進行分析介紹。

關鍵詞：直流數字穩(wěn)壓電源 APFC 移相控制

中圖分類號：TM44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（a）-0052-02

直流數字穩(wěn)壓電源是一種在工業(yè)生產和生活中應用十分廣泛的電源。在直流數字穩(wěn)壓電源的設計過程中需要注意做好直流數字穩(wěn)壓電源的保護和抗電壓、電流過載的能力。Boost電路在PFC中有著廣泛的應用，當使用Boost電路作為輸入級時，能夠有效地提高直流數字穩(wěn)壓電源的功率因數，同時減少電路中的諧波產生。全橋拓撲是一種大功率電源中有著良好應用的拓撲選擇，通過在直流數字穩(wěn)壓電源中選用移相控制策略將能夠使得直流數字穩(wěn)壓電源的拓撲實現(xiàn)軟開關，從而有效消除直流數字穩(wěn)壓電源中開關頻率的限制，提高了直流數字穩(wěn)壓電源的可用性。

1 直流數字穩(wěn)壓電源設計原理

在直流數字穩(wěn)壓電源的設計過程中主要涉及到AC-DC/DC-DC兩大轉換環(huán)節(jié)，前一環(huán)節(jié)首先將AC電轉換為DC電，而后為實現(xiàn)DC電壓可調需要設計相應的調節(jié)電路。為實現(xiàn)上述目標，在AC-DC級中選用的是Boost拓撲通過特定的控制方法來實現(xiàn)有源功率因數的校正，減少直流數字穩(wěn)壓電源所產生的諧波量。在DC-DC級設計時為使得直流數字穩(wěn)壓電源能夠具有良好的可調節(jié)性，在電路上選用的是移相全橋電路，在消除變壓器所帶來的偏磁的同時還具有良好的電壓相應性。此外，在直流數字穩(wěn)壓電源的控制中還實現(xiàn)了軟開關。

2 直流數字穩(wěn)壓電源的硬件設計

在直流數字穩(wěn)壓電源的硬件設計時，針對DC-DC級選用的是有源功率因數校正技術（APFC），通過采用APFC將能夠使直流數字穩(wěn)壓電源的功率因數得到提高，減少電流的畸變。在硬件設計時，從交流端所輸入的電流經過橋式二極管整流后進入DC-DC變換級，通過硬件整形控制使得輸出電流能夠跟蹤輸入整流電壓波形，保障輸出電壓的穩(wěn)定性和波形的跟蹤性。在直流數字穩(wěn)壓電源的硬件設計中，主要包含有兩個主要的控制環(huán)：電流內環(huán)和電壓外環(huán)，其中電流內環(huán)主要用于保障輸入電流波形能夠良好的跟蹤輸入電壓波形，且兩者之間無明顯的相位偏差。而電壓外環(huán)則主要用于確保交流電經過變壓器變換后能夠有穩(wěn)定的輸出。直流數字穩(wěn)壓電源的控制器選用的是UCC28019，其所具有的良好的保護功能能夠對直流數字穩(wěn)壓電源形成良好的保護。Boost-PFC電路主要分為濾波部分、控制部分以及主電路部分。在直流數字穩(wěn)壓電源中所使用的移相全橋電路在設計時對于電路所使用元器件參數選擇時應當將最高輸出電壓作為輸出電壓進行考慮。在移相全橋DC-DC主電路設計時，使用4個MOSFET開關管用以組成一個全橋電路，用以將AC-DC轉換所形成的直流電壓轉換成方波交流電，待到轉換完成后經過變壓器的變壓及隔離，而后使用全橋的變壓整流特性輸出整流后的方波直流電壓，整流方波直流電壓經過后續(xù)電路的濾波電路將最終輸出所需的直流電壓。在直流數字穩(wěn)壓電源中所使用的橋式拓撲主要是通過利用開關管的特性利用增加開關管的數量的方式用以降低開關管的電壓應力。在直流數字穩(wěn)壓電源的硬件設計中所采用的全橋整流方式與其他方式相比較省去了直流數字穩(wěn)壓電源硬件變壓器中的中心抽頭，從而使得變壓器的次級繞組匝數得到了有效減少。通過選用這一硬件設計方式將能夠使得直流數字穩(wěn)壓電源能夠應用于一些電流較大、電壓較高的場合，且通過簡化直流數字穩(wěn)壓電源的結構使其具有良好的性價比。在直流數字穩(wěn)壓電源軟開關功能的設計上，在直流數字穩(wěn)壓電源中通過采用軟開關技術將能夠有效地降低甚至是消除直流數字穩(wěn)壓電源硬件中所使用的開關管在工作過程中所產生的電壓或是電流重疊問題，降低直流數字穩(wěn)壓電源中所使用的開關管的電壓及電流的變化率從而使得開關管的有用功率得到提升，通過這一方式將能夠使得直流數字穩(wěn)壓電源獲得更高的開關頻率。移相全橋主要利用的是直流數字穩(wěn)壓電源中所使用的開關管的寄生輸出電容和變壓器原邊漏感之間的諧振，從而實現(xiàn)直流數字穩(wěn)壓電源的軟開關，而為了增強直流數字穩(wěn)壓電源的諧振效果，在直流數字穩(wěn)壓電源的硬件設計上需要在開關管邊并聯(lián)電容并在變壓器初級串聯(lián)一個小電感用以增強直流數字穩(wěn)壓電源的諧振特性。在直流數字穩(wěn)壓電源的硬件設計中主要使用C2000系列的控制芯片，這一系列的芯片所具有的特性能夠在應用于本直流數字穩(wěn)壓電源所采用的移相全橋電路中發(fā)揮出較為良好的效果。在移相全橋控制電路中，所使用的C2000系列芯片能夠產生PWM控制波，經過驅動變壓器隔離驅動全橋的兩個臂橋。待到直流數字穩(wěn)壓電源的全橋電路正常工作時將會在主動電路中形成一定的電壓和電流，經過采樣后的電壓和電流將與控制電路中的參考電壓、電流進行對比并跟進對比的結果輸出PWM控制波，用以得到所需的電壓和電流輸出。

3 直流數字穩(wěn)壓電源中的數字式移相全橋的軟件設計

在直流數字穩(wěn)壓電源的控制中主要采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)所使用的電壓環(huán)完成對于直流數字穩(wěn)壓電源輸出電壓的采樣，而后將采樣信號與直流數字穩(wěn)壓電源中的參考電壓相對比，并將對比結果輸送到直流數字穩(wěn)壓電源中的數字控制器中。直流數字穩(wěn)壓電源所使用的數字控制器通過輸出與一定斜坡補償進入到電流控制環(huán)中，直流數字穩(wěn)壓電源中的電流內環(huán)通過將電壓環(huán)中的電流峰值與采樣電流值進行對比用以實現(xiàn)對于直流數字穩(wěn)壓電源輸出電流、電壓的調節(jié)。在直流數字穩(wěn)壓電源的設計過程中，通過采用TMS320F28027芯片來進行直流數字穩(wěn)壓電源的數字式軟件控制設計。根據直流數字穩(wěn)壓電源的控制特性來對控制程序進行設計，其中控制程序主要分兩大部分：C語言和匯編語言。

4 直流數字穩(wěn)壓電源的測試

在完成了對于直流數字穩(wěn)壓電源的設計后，需要對直流數字穩(wěn)壓電源進行測試。直流數字穩(wěn)壓電源去主要目的是將輸入的交流電轉化為所需要電壓的直流電，同時輸入側還具有較高的功率因數。此外，還需要對直流數字穩(wěn)壓電源輸出的穩(wěn)定性、輸出的效率進行一定的測試。

5 結語

直流數字穩(wěn)壓電源在工業(yè)上應用較多，通過對設計完成后的直流數字穩(wěn)壓電源進行測試后發(fā)現(xiàn)，本設計中所采用的有源功率因數校正電路工況特性良好，且能夠在工作中有效地提高直流數字穩(wěn)壓電源的功率因數，此外電源所具有的軟開關特性在降低了開關損耗的同時提高了電源的功率密度和效率。

參考文獻

[1] 克強.數控直流穩(wěn)壓電源——單片機與D/A轉換接口電路應用實例[J].電子世界，2001（8）：32-33.

[2] 陳敏捷，殳國華，周平，等.直流數字穩(wěn)壓電源的開發(fā)[J].電氣自動化，2016，38（2）：22-24.endprint