一種數模混合控制的AC-DC開關電源的設計

鐘宇明

一種數模混合控制的AC-DC開關電源的設計

鐘宇明

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

文章介紹了一種數模混合控制的AC-DC開關電源，PFC電路用芯片UCC28180模擬控制，LLC部分及CAN通信用DSP進行數字控制．傳統的AC-DC電源做法是把DSP的地取在主變壓器的原邊，輸出端電壓和電流用昂貴的線性隔離光耦采樣后傳遞給DSP．本研究的開關電源是把DSP的地取在副邊，省去了線性隔離光耦，降低了成本，且增加了輸出電壓和電流的控制精度．文中給出了基于UCC28180的PFC電路相關參數的詳細計算．實驗結果證明了方案的可行性．

數模混合控制；PFC；UCC28180

AC/DC開關電源實現交流電到直流電的轉換，給設備提供直流電源[1]，廣泛地應用于通信基站里給通信設備供電的通信電源、電力設備的電力電源、挖礦領域的礦機電源、工業機器人的工業電源等領域．

開關電源從控制上分為2大類：一類是模擬電源，即采用一些特殊的芯片作為整個電路的主控芯片；另一類是數字電源，即用微處理器作為主控芯片．目前的電源中，300 W以下的小功率模擬電源居多，1000 W以上的大功率數字電源居多．數字電源由于帶有微處理器（最常用的是數字信號處理器DSP），其優勢有：1）便于實現各種控制算法，往往能實現更多的功能和更高的性能；2）能很方便地與外界進行通信，常見的有CAN總線通信、RS485通信、RS232通信等，尤其是CAN總線通信，即多個電源的通信線連在一起，掛在一組CAN總線上，數字電源可以更方便地傳送電源的地址碼；3）有些場合為實現更大的電流輸出，需要多個開關電源輸出并聯起來使用，此時要保證各個電源之間的均流，數字電源便于用算法實現均流．

1 傳統的AC/DC數字電源結構

常見的AC/DC數字電源結構如圖1所示．包括有源功率因數校正（PFC）和LLC兩部分[2]．圖中LLC電路內部有個主變壓器，變壓器的原、副邊需完全隔離，且滿足很高的絕緣要求，以保證輸出用電側的安全．目前常見的方法是把DSP與原邊共地，如圖1所示，DSP的地與原邊的地GND1連接在一起．DSP可以很方便地實現對PFC部分的采樣和驅動控制，也很方便實現對LLC部分的驅動控制，但對于LLC部分的采樣（即輸出端的電壓、電流采樣）則不方便（因為不共地，輸出端的地是副邊地GND2）．傳統的做法是把輸出端的電壓電流通過線性光耦隔離放大后傳遞給原邊DSP，存在缺點：一是耐壓高的線性光耦價格昂貴；二是很多線性光耦存在線性度不好、零漂、溫漂的問題，采樣誤差大從而導致輸出的電壓電流控制精度不高，在一些高精度場合不能滿足要求．如果選用特別高精度的線性光耦，又會增加成本．

圖1 傳統AC/DC數字電源的結構

2 數模混合控制的AC/DC開關電源

本文提出一種數模混合的AC/DC電源，如圖2所示．把DSP的地取在副邊，即把DSP地與輸出端的地GND2連在一起，這樣輸出端的電壓、電流可以很方便地采樣進入DSP，可以很方便地實現LLC部分的數字控制．帶來的缺點就是PFC部分不好用DSP采樣和控制了，于是增加一個專用模擬芯片UCC28180，用來采樣和控制PFC電路．由于PFC部分一般不需要與外界通信，也不需要并聯，控制方法相對簡單，用模擬控制能滿足要求．

圖2 數模混合控制的AC/DC數字電源結構

3 基于UCC28180的PFC電路設計

UCC28180是TI公司推出的一款靈活且易于使用的8引腳PFC控制器，該控制器具有軟過流和逐周期峰值電流限制保護①www.ti.com.．基于UCC28180的PFC部分如圖3所示．

圖3 基于UCC28180的PFC電路

輸入電壓范圍：176～290V．即

最小輸入電壓：in_min=176V；

輸出功率：=1500 W；

效率：=94%；

功率因數：=0.99．

根據UCC28180的芯片資料，引腳4上接的電阻freq決定了PFC電路的開關頻率．

設置電路的開關頻率為：

則

計算得freq=48 kΩ．

輸入最大電流有效值：

設計電感電流的最大紋波不超過輸入最大電流峰值的40%，則可能出現的最大輸入電流峰值：

根據UCC28180的芯片資料，電路中的輸入電流是通過串聯在電路中的采樣電阻采得信號接到引腳3．當3腳獲得的電壓超過其內部的基準0.265 V時，芯片內部會進行軟過流保護，即限制住芯片輸出的占空比；當3腳獲得的電壓超過其內部的另一個基準0.438V時，則會強行進行限流保護，即關閉芯片輸出的占空比．據此選擇采樣電阻：

上式中1.1倍的系數是指設計在當電流超出正常工作的最大可能電流峰值10%時觸發軟過流保護．

發生強行限流保護點為：

即當電流達到33.7A時會觸發強行限流保護．

UCC28180芯片6腳的內部基準電壓為5V，通過基準電壓把PFC電路輸出的電壓pfc（圖2中BUS+與BUS-之間的電壓，設計為415V）．根據芯片資料推薦選擇電阻FB1為1M，則根據串聯分壓得電阻：

電壓采樣電阻上并聯小電容濾波，RC濾波常數設計為10 μs，則

UCC28180的外圍其他參數按照芯片資料推薦參數選擇即可．

LLC部分采用調頻控制，設計諧振腔，獲得40-75V的寬電壓范圍輸出，其設計方法可參考文獻[4, 5]．

4 實驗結果及結論

效率、功率因數、電流畸變THD是開關電源的主要性能指標[3]．本文的數模混合控制的AC-DC開關電源，輸入電壓220V，輸出最大電流21A，最大功率1500W，輸入電流波形和輸出電流波形分別如圖4、圖5所示．輸入固定220V不變，改變輸出，性能指標測試結果見表1．滿載效率91.92%，最高效率92.64%；輸出50%～100%負載時，功率因數≥0.99，THD≤5%；技術指標完全滿足電源行業標準，獲得了較好的測試結果，驗證了設計的正確性．與傳統的電源相比，該電源省去了線性隔離光耦，降低了成本．

表1 測試結果

圖4 輸入電流波形

圖5 輸出電流波形

[1] 陳堅．電力電子學－電力變換和控制技術（第三版）[M]．北京：高等教育出版社，2012．

[2] 張占松，蔡宣三．開關電源的原理與設計[M]．北京：電子工業出版社，2006．

[3] 王兆安，劉進軍．電力電子技術（第五版）[M]．北京：機械工業出版社，2009．

[4] 辛曉敏，荊龍，趙宇明，等．變頻控制LLC變換器的新型參數設計方法[J]．電工電能新技術，2020，39（10）：29-38．

[5] 劉海風，趙晉斌，屈克慶，等．一種帶有寬輸出范圍的高效LCC諧振變換器[J]．電力電子技術，2020，54（10）：43-46．

On AC-DC Switching Power Supplies with Mixed Digital and Analog Control

ZHONG Yuming

（）

An AC-DC switching power supply with hybrid digital and analog control is introduced in this paper. In the power supply, PFC circuit is based on analog control of UCC28180, and LLC circuit and CAN communication circuit is based on digital control of DSP. In conventional AC-DC power supply, the ground of DSP is connected with the ground of primary side of main transformer. Therefore, a linear isolationsamples the output voltage and current and delivers to DSP. In this paper, the ground of DSP is connected with the ground of secondary side, so the linear isolation optocoupler is removed, with the advantage of low cost and high control accuracy of output voltage and current. Parameter calculation of PFC circuit based on UCC28180 is described in detail. Experiment results verified the practicability of the design.

mixed digital and analog control; PFC; UCC28180

TM464

A

1672-0318（2022）01-0008-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.01.002

2021-03-28

鐘宇明，男，湖南郴州人，副教授，碩士，主要研究方向：電力電子與電力傳動、自動控制．

（責任編輯：王璐）