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开关电源数模混合测控系统硬件电路设计与实验

作者:李琳时间:2013-09-23来源:电子产品世界收藏

  摘要:采用芯片与单片机相结合的方案设计了直流数模混合。闭环系统包括电压环与限流环,电压环使输出稳定在设定值上,限流环解决了负载突变问题,调节器和保护电路的设计使系统稳定且安全运行,单片机完成了系统故障的实时监测、显示与保护。最后研制了一套输出为270V的直流,实验结果良好。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/170164.htm

  引言

  大中功率直流一般采用移相全桥变换器 。实现全桥变换器的移相控制主要有以下三种方法:(1)采用分立器件进行逻辑组合;(2)采用DSP或CPLD实现数字控制;(3)采用专用集成控制芯片 。采用分立器件进行逻辑组合构成的模拟控制电路结构复杂,不利于开关电源小型化;采用DSP或CPLD实现数字控制的成本较高,且存在数字电路延迟;采用专用的集成控制芯片电路简单且成本较低。第三种方法中可以采用芯片来产生控制波形,是一款优良的移相全桥控制芯片,有电压和电流两种控制模式,占空比可从0%~100%, 且可以为零电压开关(ZVS)提供高效高频的解决方案。国内外常用的移相全桥反馈模式为电流模式 ,但其双闭环控制电路复杂,不易实现。

  由于单电压环反馈模式简单有效的优点,本文基于UCC3895移相全桥控制芯片采用单电压环加限流环的反馈模式和单片机相结合设计了直流开关电源数字模拟混合,详细设计了闭环系统、控制器参数、保护电路,显示电路,调压电路,并对测控系统进行了实验。

  系统方案

  采用应用广泛的TI公司生产的UCC3895芯片与单片机相结合的方案设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统。如图1所示,利用UCC3895对变化器主电路进行移相控制,并与单片机相结合来实现对主电路的检测与反馈控制,以及输出过压,过流,过温等保护。其中,所选单片机型号为美国微芯公司生产的PIC16F873单片机。PIC16F873共28个引脚,内部自带5个10位A/D通道,2个定时计数器,2个脉宽调制()通道。

  闭环反馈模式采用单电压环加限流环的模式,存在电压环调节器和限流环调节器两个调节器,即恒压控制调节器和恒流控制调节器。当电压环调节器工作时,整个电源装置相当于一个电压源,此时限流环调节器不参与工作;当限流环调节器工作时,整个电源装置相当于一个电流源,此时电压环调节器不参与工作。电压环调节器选用PID调节器,在低频段起积分作用,改善系统的稳态性能,在中频段起微分作用,改善系统的动态性能。限流环调节器只是在负载过重时的较短时间内起作用,要求不高,可以选用P调节器或PI调节器,为减小稳态误差所以选用PI调节器。如图2所示,正常情况下只有电压环工作,限流环不工作,一旦输出过流则电压环停止工作,由限流环工作,通过减小输出电压将电流稳定在限流值。

  控制器参数设计

  电路参数为:输入Vin=500V,输出电压Vo=270V,谐振电感Lr=30uH,变压器变比K=1.63,滤波电感 Lf=500uH,滤波电容Cf=470uF,负载电阻RL=30Ω。开关频率fs=80kHz,参考电压Vr=3V,PWM调制器锯齿波幅值Vp=2.35V。

  闭环反馈模式具体硬件电路如图3所示,限流环调节器输出端通过一个二极管与电压调节器输出端连在一起接至UCC3895内部的PWM波比较器同相输入端,限流环调节器的输出接到二极管的阴极。当电流达到限流值时,限流环调节器输出电压下降,低于电压调节器输出,二极管导通,将限流环调节器输出接到PWM比较器同相输入端并与载波信号比较产生占空比控制主电路开关管通断,通过减小输出电压将电流稳定在限流值,此时只有限流环起作用,实现恒流控制;当电流未达到限流值时,二极管不导通,由电压环起作用,实现恒压控制。

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