PWM开关稳压电源系统设计分析

黄炜

【摘 要】开关稳压电源由于更能满足现代电子设备的要求，具有效率高，可靠性和稳定性好等优点，因此，它的应用十分广泛。本文要介绍的是一种PWM开关稳压电源系统的设计。实验表明各项指标满足设计要求，适用于低成本、智能化的电源开发中，有广阔的应用前景。

【关键词】开关稳压电源；Boost电路；PWM；调试

与线性稳压电源相比，开关稳压电源更能满足现代电子设备的要求。开关电源的主要优点是：性能价格比效率高，可靠性和稳定性好，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，任能维持较稳定的输出。这使其在线性电源的竞争中具有先导优势。本文要介绍的是一种PWM开关稳压电源系统的设计。该电源的特点是进一步降低电源输出波纹，实现输出可变并控制产品成本和体积。

1.主要技术指标及特点

（1）工作模式：脉宽调制（PWM）。

（2）工作频率：150kHz。

（3）2块500W功率模块并行工作，总输出功率为1000W。

（4）能对DC48V蓄电池充电。具有欠压、过放电报警功能。过放电时自动切断放电回路。

（5）当负载电流过大时，内置的电流分配系统将自动降低充电电流来保证负载的供电。

（6）具有过压保护功能，当电网电压高于AC265 V时，自动切断输入电源。

（7）具有过流保护功能，当负载电流过大甚至完全短路时，电源由恒压状态转为恒流状态， 恒流工作点连续可调。

（8）充电电流限流点和输出电压在一定范围内均连续可调。

（9）当电网掉电、过压、电池放电至43V时， 发出声光报警。

（10）人机界面：用三位半LCD及MODE键可选择地显示输出电压、负载电流、充电电流值。用LED显示包括蓄电池在内的各种工作状态。用RESET键消除报警状态，用POWER键软关断和接通电源输出。

2.系统结构

系统主要由电源整流部分、控制器、信号驱动模块和升压模块组成，如图1所示。系统输入为220V，50Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18V的直流电压，送入DC-DC变换电路，经滤波输出直流。控制器完成电压的AD变换并实现电压值的外部设置和实时显示，同时控制模块输出脉宽调制信号（PWM），从而控制Boost电路的输出电压。该输出电压可在30～36V范围内步进调节。最大输出电流达2A。设计中DC-DC变换的核心电路采用经典的Boost升压形式。

图1系统硬件总体框图

3.系统硬件设计

3.1MOS管驱动电路

由于单片机I/O口的驱动能力弱不足以驱动MOSFET，所以要增加专用的MOSFET电路。设计中采用采用美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110，从而减小了装置的体积，降低了成本，提高了系统的可靠性。IR2110是一款高低电平驱动器件具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3Vcc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；其逻辑输入电压只需3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，输出电压最大可达20V，图腾柱输出驱动电流最大可达到2A；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；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。

3.2 STC12C2052AD控制器

系统中控制器不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整DA的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中，代替原来的比较放大环节。开关电源的控制芯片采用STC12C2052AD系列单片机，利用其内部PWM组件产生控制信号，经过放大后驱动boost升压电路。STC系列单片机为单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机。具有两路PWM/PCA和8路8位精度的ADC，在本设计中充分利用这两个功能来构成整个控制系统。

3.3缓冲电路设计

当变换器的开关管在导通、截止后开关管的电压和电流的乘积几乎为零，但在导通和截止的变化过程中电压和电流都具有一定的幅值。因此变换器就会在开关过程中产生开关损耗。通常，变换器的开关损耗中，关断损耗比开通损耗大得多，因此大多数场合下只考虑关断过程的缓冲即可。最简单的缓冲电路就是附加缓冲电容，但在开关管导通时缓冲电容通过开关管放电，放电电流值非常大，开关关不能承受。限制放电电流可串联限流电阻但缓冲效果明显变差，此时可将二级管并联到电阻两端以减小时间常数，这就是常用的RC-D缓冲电路。

为了有效的将开关管的开关应力转移，缓冲电路作用的时间应大于开关管的电压上升时间与电流下降时间之和，通常可以选择为开关周期的1/100～1/200电容理论值大约为6.7nF。多次试验显示，保护吸收电路的电阻应取kΩ级，电容取nF级即可。

3.4采样电路设计

为了实现电压的反馈控制和过流保护，系统需要增加采样电路，采样电路共分成两部分：电压采样和电流采样。因为单片机ADC的参考电压为5V不能直接对输出电压进行变换，因此需要对输出电压分压后再采样。采用对输出的1/10分压，分压电路用简单的电阻分压器即可。课题要求系统具有过流保护的功能，这就要对电流进行采样，将电流变成电压后也进行ADC变换。采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。例如，锰铜线制成的电阻，温度系数约5ppm/℃。另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升。另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R=0.5Ω。

4.系统软件设计

4.1单片机控制算法

为了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。为了简化程序该系统设计选择P算法（PID算法的一种简单形式），即令Ki、Kd为零，只考虑比例系数。因此，系统稳压控制的优劣取决于参数Kd。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。因STC单片机速度较快所以课题中Kp选择不必太大，可实现预期稳压功能即可。

4.2控制程序设计流程

根据课题要实现的功能及要求，单片机软件的控制部分程序的流程图2所示。

图2 控制流程图

4.3 过流保护设计

过流保护模块采用软件编程实现， 当电流超过系统最大工作电流时， 加大PWM 波占空比， 断开继电器，使电流降低， 起到过流保护作用。具体流程图3所示。

5.调试结果

测试当中输入电压为18V，开关管的控制脉冲（PWM波）频率为104kHz，占空比50%，组装时电容取1600μF，电感为820mH，电阻为30Ω。可看出，在不考虑损耗时电压可以升35V以上；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30～36V步进调整，最大输出电流2A。

改变电源的负载，对不同负载下的输出电压进行测试。

图3 过流保护子程序流程图

负载调整率SI=（36.01-35.38）/36.01≈1.7%对不同输入电压下的电流、电压进行测试并计算出变换器的效率，测试结果如表1所示。

表1变换器效率测试（不含单片机等控制电路）

6.结论

在本设计中，设计人员增加了电源的数控功能利用Boost电路实现了系统设计的升压转换，采用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，运用反馈算法实现可控的稳压输出。其稳定性和可靠性得到了很好的验证，有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 廖昌明.一种PWM开关稳压电源的设计[J].信息化研究，2010年06期

[2] 陈伟杰；张虹.基于闭环PWM控制的开关稳压电源设计[J].电力电子，2008年01期