数控开关电源的设计与实现

郑　尧

(四川信息职业技术学院，四川 广元 628017)



数控开关电源的设计与实现

郑尧

(四川信息职业技术学院，四川 广元 628017)

摘要:文中介绍了一款基于DSP的数控电源开关，其电压的可调范围在0～32 V，电流的可调范围是0～5 A，工作频率为50 Hz，电压电流的步进值分别为0.1 V和0.1 A。仿真结果表明，该数控开关电源具有极好的调节功能，不仅能满足精度要求，同时还具有极强的实时性。

关键词：数控开关电源;原理;参数设计;仿真结果

1　数控开关电源简述

数控开关的创新主要表现在集成电路方面的改进，克服了传统电源开关的设计缺陷，提高了电源输出功率。传统的开关电源主要采用模拟控制技术，通过调节器、比较器来控制输出电压，一旦成型很难修改，不利于开关电源的集成化，因此其适用性十分局限。而开关电源的数字化控制就能对这些问题进行妥善解决，达到高效稳定的目的。

数控开关电源的特点：(1)低质量，低消耗。数字开关电源具有质量轻、体积小的优点，而且转换频率比较大，损耗较小。开关频率的增加能够在极大程度上减少开关损耗，提高电源转化率。(2)滤波效率高。数控开关电源的频率是线性电源工作频率的100倍左右，这样使得其滤波效率提高了1 000倍，半波整流下的滤波效率也能增加500倍，数控开关电源的体积也随之减小。(3)稳压范围宽。数控开关电源随输入电压的变化进行脉宽调节，能适应较宽的电网电压。(4)安全可靠。数控开关电源带有自动保护电路，当电路或输出等出现短路时，能够自动关闭输出。数控开关电源不仅能够提高电源输出功率，同时还能通过控制元件的占空比来达到稳压的目的。

2　数控开关电源的原理

数控开关电源的设计结合双闭环控制原理和稳压稳流自动转换电路原理，不仅使得数控电源开关的电压电流达到给定值，同时保证了电路工作的稳定。

(1)双闭环控制原理

为了加快动态响应速度，在数控电源开关设计上采用了双闭环控制结构，可以直接在控制面板上设置和显示系统的稳压、稳流值。双闭环控制中，电流为内环控制，而电压则受外环控制，通过PID调节器实现内外环的共同控制。双闭环控制主要体现在PID的误差调控，外环控制是指将电压的输出值与额定值进行对比，然后通过调控形成电压控制的外环；内环控制则是PID对电流的控制，将调制后的电流传输形成数字脉冲，从而控制开关状态，达到限流的目的。当工作状态为稳压时，电流PID调节会输出数字脉冲赋值给PWM调制器，电压环会退出，以电流环为主导，控制开关状态，实现稳流(见图1)。

图1 电压电流双闭环控制结构原理图

(2)稳压稳流自动转换电路

稳压稳流自动转换是由电压、电流和负载三方面共同决定的。当电路的工作状态是稳流时，电压环处于饱和状态，不起任何作用，只有内环中的电流处于工作状态。反之，当电路在稳压状态工作时，电流环饱和，电压环开始工作，且输出的电压大于给定值，电流给定,运算放大器处在饱和状态，电压与电流环同时工作，这种控制方式被称为双环结构。正是由于双环结构的设计，输出电压和电流都能够稳定在给定范围附近，稳压稳流自动转换电路除了能够实现电路转换还能够保持电源稳值工作。

3　数控开关电源的参数设计

本数控开关电源的输出电压Uo=0～32 V，输出电流Io=0～5 A。其主电路使用半桥型电路，具体设计方案如图2。经整流滤波实现了交流与直流的转变，半桥电路能够较好地完成直流电输出。

图2 半桥开关电源主电路

在图2中，选用MOSFET管作为开关管(S1、S2)。MOSFET管是一个全控型元器件，它只受到电压的驱动，具有开关速度快、驱动功率小等特点。半桥开关电源电路另一个桥壁是由特性和容量相同的两个电容 (C1、C2) 组成，每个电容承担1/2的直流电压;而另一个桥壁则是由两个开关 (S1、S2)组成。高频变压器T的两端分别接在两电容的中点和两开关的公共端上，通过PWM信号控制两开关的交替工作，从而形成交流方波电压。通过对PWM信号占空比调节，能够改变输出电压Uo。R1和R2是阻值相同的泄放电阻，C3是材料为ECS的耦合电容，用途是防止变压器的磁芯处在饱和状态，能提高半桥逆变电路对不平衡的抵抗能力。

同时注意绕组线圈的参数设计，一般的排列方式为原边绕组靠近磁芯，副边绕组向外排列。如果原边绕组的一次侧的电压高，二次侧的电压低，则可以采用副边绕组先靠近磁芯，由反馈绕组和原边绕组在最外层排放。在设计中如果需要增加线组合耦合，还可以用一半原边绕组先靠近磁芯，然后再绕反馈和副边绕组，有效地减小漏感。还有一点非常值得注意，在变压器中增加屏蔽绕组，这样能够有效避免噪声对其他元件造成干扰。

4　数控开关电源的硬件设计

4.1　芯片的选择

在硬件控制方面，PWM选用美国IT公司制造的TMS320F2812控制专用DSP芯片，具有如下特点：单个芯片能够达到18K RAM、128KFlash，真正实现高性能数字处理与精度模拟结合，并且能够用于再开发和软件升级的简单再编程处理。同时具有16通道的PWM，3个定时器，实现每秒16.7M的12位16通道的A/D转换，具有人为设计的整套片上系统，整体来说，大大降低了板级空间和系统成本。在电源控制方面，半桥电路中能够实现MOSFET信号的自动产生、过流过压检测与保护、电压显示、键盘输入等功能。

4.2　变压器的选择

变压器的参数选择关系着数控开关电源的数据值，在理想状态中，如果变压器二次侧开路，则一次侧无电流流动。但事实并不是如此，二次侧开路并不是完全无电流的，还会存在小部分激磁电流。激磁电流的产生并不是必然的，而是受到磁芯影响，由一侧绕组电感形成，从理论上来说它具有无限磁导率。但实际上不可能将磁导率做的无限大，否则会出现磁芯的瞬间饱和，所以选择变压器时应该在磁芯方面多加重视，为满足设计要求，可以从两个方面考虑：(1)降低漏磁、漏感，兼顾线圈散热;(2)考虑设计所需的功率要求，以免后期设计中出现麻烦。具体控制电路结构图见图3。

图3 控制电路结构图

5　电路设计及仿真结果

在电路设计的仿真结果分析中，运用MATLAB/Simulink对开关电源的数字控制系统进行仿真，建立PWM子系统和开关电源数字PID控制的电路模型。为了将比例调节、积分调节和微分调节结合在一起，本系统采取PID调节，在三者的共同作用下，实现了低误差、高速度的要求，使PID达到了很好的调节效果。

PID的三个参数Kp、Ki、Kd确定后，采用Ziegler—Nichols的参数整定方法进行稳定性分析,首先置Kd=Ki=0，然后增加Kd直至系统振荡,记下此临界状态下Kd的值Kσ，振荡周期为Tσ。利用Ziegler—Nichols方法即可确定控制器的Kp、Ki、Kd参数。仿真分析的数据不仅对三个参数的选定起到了参考作用，同时也给后续工作的开展提供了理论支持，本数控开关电源的仿真图如图4、图5所示。

图4 输出电压为32V时的波形图

图5 输出电流为5A时的波形

从仿真结果可以看出，该数控开关电源具有对极小调量的调节能力，在短时间能对其进行锁定，并使之快速上升，上升时间短至7 ms，满足了系统的应用要求。设计该数控开关电源模型是通过Simulink交互式的仿真实现的，事实证明该建模方法具有可行性和优越性，能够帮助确定电路参数，达到理想控制的目的。

6　结束语

运用数字PID控制技术能够克服电路复杂、调整困难等缺点，满足用户要求。采用DSP芯片和双闭环控方法，不仅能够保证较快的采样速度，还能够实现复杂的控制算法，保证电源稳定和精准的输出。此外，数控开关电源还增加了稳流自动切换模式，增强了开关电源的智能化。通过仿真结果可以得出结论：该数控开关确实能够真实体现系统的性能，实现完美操控。

参考文献：

[1]许海涛,陈少斌,何明华,黄婷婷,鲁云飞.基于TNY279的LED驱动电源设计[J].机电技术，2011，(02):79-81.

[2]侯清江,张黎强,许栋刚.开关电源的基本原理及发展趋势探析[J].制造业自动化，2010,(09):160-162.

运营探讨

Research and Implementation of Switching Mode Power Supply Based on Digital Controller

ZHENG Yao

(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)

Abstract:This article introduces a switching mode power supply based on DSP with voltage range of 0 to 32 V, current range of 0 to 5 A and operating frequency of 50 Hz. Its progressive steps of voltage and current are 0.1 V and 0.1 A respectively. The simulation results show that this power supply has excellent regulating performance and it can not only satisfy the accuracy requirement but have great transient response.

Key words:digital controlled switching mode power supply; principle; parameter design; simulation result

中图分类号：TN86

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0136-03

作者简介：郑尧(1979-)，男，四川剑阁人，学士，工程师，讲师，研究方向：电子技术。

收稿日期：2014-12-16