一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现
一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现
1 引言
近年来，数字化在电源领域得到广泛应用，许多电子设备要求电源具有多档级。因此，这里提出了一种利用数字控制、电压可调的开关电源设计方案，实现电压步进调整，并具有宽电压输入、稳压输出功能。
2 设计方案
方案系统设计框图如图1所示，输入为220 v，50 hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18 v的直流电压，送入boost电路，经滤波输出直流。cpld与单片机组成的数字控制模块输出脉宽调制信号(pwm)，由按键控制改变pwm占空比，从而控制boost电路的输出电压。该输出电压可在30~36 v范围内步进调节，实现多路电压输出。最大输出电流高达2 a。
输出电压经maxl97 a/d采样，送至控制模块，通过pid算法计算调整下一次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入，稳压输出的功能。
3 硬件电路设计
3．1 硬件电路图
系统硬件电路如图2所示。交流电压经变压器转换，其幅值按一定比例降低。降低的交流电压经扁桥式整流电路整流为18 v直流，经2 200μf电容滤波后进入主转换电路与boost电路。
在boost转换电路中，增加mosfet和二极管缓冲吸收电路，减小过压或过流引起的损耗。由于电源功率较小，则采用rc吸收电路。当过流、过压产生时，电流通过电阻以热能的形式将能量散发出去，降低对mosfet的影响，减小其损耗，延长使用寿命。根据多次试验，保护吸收电路的电阻应取kω级，电容取nf级。直流信号再经低通滤波器滤除纹波，驱动负载。[next]
3．2 主要功能电路原理
硬件电路部分的主要电路是boost电路，它由功率开关管vt、储能电感l、续流二极管vd和滤波电容c组成。开关管按一定频率工作，转换周期为t，导通时间为ton，截止时间为toff，占空比d=ton/t。其工作原理为：当vt导通时，电感l储能，vd反偏截止，负载由电容c提供电能；vt截止时，l两端电压极性相反，vd正偏，同时为负载和滤波电容c提供能量。
由储能电感l导通和截止期间，电流变化量相等可得，输出电压u0和输入电压u1之间关系为：
u0/ui=1/(1一d) (1)
3．3 器件选取
根据理论计算，功率开关采用晶体管即可满足要求，故系统采用irf540型mos管，其vds=100 v，ids=17 a。采用mos管专用驱动器件ir2110完成驱动功能。ir2110是一款高低电平驱动器件，其逻辑输入电压只需3．3 v，输出电压最大可达20 v，驱动电流最大可达到2 a。其延迟时间为10ns，上升沿和下降沿时间分别为120 ns和94 11s。由于ir2110可同时驱动双mos管，因而系统只涉及一个mos管，故只使用一路驱动即可。
由于普通二极管的反向恢复时间过长，而肖特基整流管无电荷储存问题，可改善开关特性。其反向恢复时间缩短到10 11s以内。但其反向耐压值较低，一般不超过100 v。因此肖特基二极管适用于低压、大电流状态下工作，并可利用其低压降提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。
3．4 重要参数的计算
滤波电容的选取，可根据
当开关管工作频率取f=40 khz时，设纹波电压约为30～50 mv，则计算得到c数量级为1 000μf。实际调试后取电容为2 200μf。[next]
储能电感的选取，可根据：
设计过程中，设置纹波电流△il=o．4 a，计算得到l数量级为l mh，实际调试后取电感为0．79 mh。[next]
4 软件设计
选择cpld和51系列单片机组合设定数字控制和输出电压步进。用单片机控制整个系统。软件设计除设定初始电压值，还包含pid算法程序，以及调整pwm占空比。可编程逻辑器件cpld可直接生成pwm波控制开关管驱动器。
4．1 pwm波产生
pwm波的产生采用verilog hdl硬件描述语言在cpld中实现。信号频率设定为40 khz，采用dds方式步进频率可精确至1 hz。使用quartusⅱ自带的工具生成pll器件，将外界晶体振荡器输入的频率倍频至100 mhz。由dds公式，可得：
式中：k为累加系数；fin为输入频率；n为计数器位数。
当键盘键入所需电压u0，单片机内转化为占空比dy=1一(ui／u0)。累加器开始累加时输出高电平，当dy达到计数值时变为低电平，最终可得精确频率下占空比可调的pwm控制信号。
4．2 pi控制算法
为通过反馈调节控制信号实现稳压，系统软件设计中加入了pid控制算法，即单片机中将给定电压值与采样反馈电压值比较，利用偏差的比例、积分、微分线性组合调整pwm信号的占空比，进而达到稳压。常用的pid算法形式为：
式中：kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；e(k)为偏差；u(k)为所需控制信号的调整值。
该系统设计选择pi算法(pid算法的一种简单形式)，即令kd为零，只考虑比例系数和积分系数。因此，系统稳压控制的优劣取决于参数kp、ki。kp 越大，系统反应越灵敏，但kp偏大会导致输出振荡大，调节时间延长，所以应谨慎选择。积分系数的运用可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。pi算法流程如图3所示。图3中引入了积分分离式算法，减少积分校正对控制系统动态性能的影响。即在控制开始阶段或电压值大幅度变化时，取消积分校正；而当实际电压值与设定值的误差小于一定值时，恢复积分校正作用。积分分离式算法既保持积分作用，又减小超调量，改善控制系统的性能。经实验确定，可实现稳压功能。
4．3 仿真验证
simulink是matlab提供的实现动态系统建模仿真的一个软件包。采用powersystem库模型，将系统设计的仿真电路连接如图4所示。脉冲产生器产生固定频率和占空比方波，控制mos开关管。电流和电压测量器将模拟的电流和电压量化送至示波器。仿真中器件参数根据实际设计选取：输入电压为 18 v，开关管的控制脉冲(pwm波)频率为40 khz，占空比60％，电容取2 200μf，电感为1 mh，电阻为18 ω。得到的电流电压波形图如5所示。通过仿真可看出，在不考虑损耗时电压可以升36 v以上，电流也可以达到2．4a；在实际电路中因存在损耗，通过调整占空比达到了输出电压30～36 v步进调整．最大输出电流2 a。
5 结语
利用boost电路实现了系统设计的升压转换，采用cpld和单片机完成数字控制，软件编程得到pwm信号，通过调整占空比实现输出电压数字调节。而运用pi算法则是本系统设计的亮点，完美实现了宽输入，稳压输出。
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1 引言
近年来，数字化在电源领域得到广泛应用，许多电子设备要求电源具有多档级。因此，这里提出了一种利用数字控制、电压可调的开关电源设计方案，实现电压步进调整，并具有宽电压输入、稳压输出功能。
2 设计方案
方案系统设计框图如图1所示，输入为220 v，50 hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18 v的直流电压，送入boost电路，经滤波输出直流。cpld与单片机组成的数字控制模块输出脉宽调制信号(pwm)，由按键控制改变pwm占空比，从而控制boost电路的输出电压。该输出电压可在30~36 v范围内步进调节，实现多路电压输出。最大输出电流高达2 a。
输出电压经maxl97 a/d采样，送至控制模块，通过pid算法计算调整下一次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入，稳压输出的功能。
3 硬件电路设计
3．1 硬件电路图
系统硬件电路如图2所示。交流电压经变压器转换，其幅值按一定比例降低。降低的交流电压经扁桥式整流电路整流为18 v直流，经2 200μf电容滤波后进入主转换电路与boost电路。
在boost转换电路中，增加mosfet和二极管缓冲吸收电路，减小过压或过流引起的损耗。由于电源功率较小，则采用rc吸收电路。当过流、过压产生时，电流通过电阻以热能的形式将能量散发出去，降低对mosfet的影响，减小其损耗，延长使用寿命。根据多次试验，保护吸收电路的电阻应取kω级，电容取nf级。直流信号再经低通滤波器滤除纹波，驱动负载。[next]
3．2 主要功能电路原理
硬件电路部分的主要电路是boost电路，它由功率开关管vt、储能电感l、续流二极管vd和滤波电容c组成。开关管按一定频率工作，转换周期为t，导通时间为ton，截止时间为toff，占空比d=ton/t。其工作原理为：当vt导通时，电感l储能，vd反偏截止，负载由电容c提供电能；vt截止时，l两端电压极性相反，vd正偏，同时为负载和滤波电容c提供能量。
由储能电感l导通和截止期间，电流变化量相等可得，输出电压u0和输入电压u1之间关系为：
u0/ui=1/(1一d) (1)
3．3 器件选取
根据理论计算，功率开关采用晶体管即可满足要求，故系统采用irf540型mos管，其vds=100 v，ids=17 a。采用mos管专用驱动器件ir2110完成驱动功能。ir2110是一款高低电平驱动器件，其逻辑输入电压只需3．3 v，输出电压最大可达20 v，驱动电流最大可达到2 a。其延迟时间为10ns，上升沿和下降沿时间分别为120 ns和94 11s。由于ir2110可同时驱动双mos管，因而系统只涉及一个mos管，故只使用一路驱动即可。
由于普通二极管的反向恢复时间过长，而肖特基整流管无电荷储存问题，可改善开关特性。其反向恢复时间缩短到10 11s以内。但其反向耐压值较低，一般不超过100 v。因此肖特基二极管适用于低压、大电流状态下工作，并可利用其低压降提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。
3．4 重要参数的计算
滤波电容的选取，可根据
当开关管工作频率取f=40 khz时，设纹波电压约为30～50 mv，则计算得到c数量级为1 000μf。实际调试后取电容为2 200μf。[next]
储能电感的选取，可根据：
设计过程中，设置纹波电流△il=o．4 a，计算得到l数量级为l mh，实际调试后取电感为0．79 mh。[next]
4 软件设计
选择cpld和51系列单片机组合设定数字控制和输出电压步进。用单片机控制整个系统。软件设计除设定初始电压值，还包含pid算法程序，以及调整pwm占空比。可编程逻辑器件cpld可直接生成pwm波控制开关管驱动器。
4．1 pwm波产生
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4．2 pi控制算法
为通过反馈调节控制信号实现稳压，系统软件设计中加入了pid控制算法，即单片机中将给定电压值与采样反馈电压值比较，利用偏差的比例、积分、微分线性组合调整pwm信号的占空比，进而达到稳压。常用的pid算法形式为：
式中：kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；e(k)为偏差；u(k)为所需控制信号的调整值。
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4．3 仿真验证
simulink是matlab提供的实现动态系统建模仿真的一个软件包。采用powersystem库模型，将系统设计的仿真电路连接如图4所示。脉冲产生器产生固定频率和占空比方波，控制mos开关管。电流和电压测量器将模拟的电流和电压量化送至示波器。仿真中器件参数根据实际设计选取：输入电压为 18 v，开关管的控制脉冲(pwm波)频率为40 khz，占空比60％，电容取2 200μf，电感为1 mh，电阻为18 ω。得到的电流电压波形图如5所示。通过仿真可看出，在不考虑损耗时电压可以升36 v以上，电流也可以达到2．4a；在实际电路中因存在损耗，通过调整占空比达到了输出电压30～36 v步进调整．最大输出电流2 a。
5 结语
利用boost电路实现了系统设计的升压转换，采用cpld和单片机完成数字控制，软件编程得到pwm信号，通过调整占空比实现输出电压数字调节。而运用pi算法则是本系统设计的亮点，完美实现了宽输入，稳压输出。
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