一种基于PIC18单片机的数字控制直流变换器的设计∗

刘 康

（南京理工大学 南京 210094）

一种基于PIC18单片机的数字控制直流变换器的设计∗

刘 康

（南京理工大学 南京 210094）

采用传统模拟控制方式的直流变换器，由于其硬件结构和控制方式比较固定，限制了开关电源的开发的灵活性和可拓展性，随着嵌入式技术的发展和在电力电子领域中应用的不断加深，利用数字方式进行控制逐渐取代模拟控制方式来成为高性能开关电源开发的首选。论文提出一种基于PIC18单片机，主功率电路采用有限双极性控制的ZVZCS-PWM全桥拓扑结构的数字控制直流变换器的设计方案。经验证该设计方案合理可行，设计出的数字控制直流变换器拥有较高输出精度和转换效率。

全桥直流变换器；数字控制；PIC18单片机；有限双极性

1 引言

传统采用模拟控制方式的电源电路使用的器件和芯片较多结构复杂，并且可以实现的控制方式单一。一旦需要对电源的硬件设计或者控制方法进行更改或优化，需要更换器件甚至重新制作电路板，这大大制约了电源开发的灵活性和可拓展性。虽然近些年来一些研究人员采用采用“模拟控制电路+MCU监控”的开发模式，但还是没有充分发挥MCU所起到的数字化、智能化作用，而仅仅将一种监控手段。而采用数字控制系统的研发的电源，电路结构精简，元器件使用比模拟电路少，减少了元器件老化对电源工作性能的影响，并且数字控制系统抗干扰性强，工作稳定，相比模拟控制方式控制精度大大提高［1］。同时数字控制系统的控制算法是通过软件实现，随时可以对控制算法进行更改和优化，大大提高了数字控制电源的适用性和可拓展性。

PIC18系列微控制器（MCU）采用16位的类RISC指令系统，具有管脚功能齐全、抗干扰能力强以及低成本低功耗等优点，已被应用于嵌入式开发的众多领域［2］。本文采用有限双极性控制下的ZVZCS-PWM拓扑作为主功率电路，设计了一套基于PIC18单片机的数字电源控制系统，来完成简化电路结构、提高电源控制精度和转换效率的目的。

2 主功率电路设计

2.1 ZVZCS-PWM全桥变换器电路结构

有限双极性控制控制ZVZCS-PWM全桥变换器功率主电路如图1所示。其中S1、S2两个开关管组成超前桥臂，并分别并联吸收电容用来实现超前桥臂的ZVS，S3、S4两个开关管组成滞后桥臂，利用隔直电容Cb来实现滞后桥臂的ZCS。图中电感L1为主变压器漏感。

图1 有限双极性控制ZVZCS-PWM全桥拓扑

2.2 电路工作原理及ZVZCS的实现

有限双极性控制方式下，各开关管驱动信号时序图如图2所示。其中ug1、ug2为脉宽可调的定频PWM信号；ug3、ug4为互补方波，频率固定，脉宽为开关周期的1/2，考虑避免“直通”问题，实际使用中需要在；ug3、ug4之间加入一个固定的死区时间。对角线上的ug1、ug4同时开通，ug2、ug3同时开通。ucb为隔直电容Cb上的电压，其幅值取决于Cb的大小和其他条件，Cb越小ucb幅值越大，滞后桥臂ZCS越容易实现，但是也会增加开关管所受的电压应力，一般情况下使ucb最大值小于直流输入电压的1/10即可［3］。

图2 有限双极性控制下各开关管驱动时序图

下面就有限双极性控制下ZVZCS工作过程进行简要的分段分析：

1）（t0～t1）t0时刻，S1、S4同时导通，变压器初级电流ip开始开始上升，从S1流向L1、主变压器、Cb最后到S4。功率从从初级流向次级，同时隔直电容Cb上的电压开始上升。为了简化分析暂不考虑变压器的励磁电流和次级电流I0的波动，因此变压器初级电流ip(t)为

上式中Iop为变压器初级在t0时刻的电流，n为变压器原副边匝数比。在实际电路中，由于次级整流二极管存在反向恢复过程，所以ip(t)的上升沿应存在一个尖峰。

Cb两端的电压ucb(t)为

其中，ucbp为隔直电容Cb上的最大电压。

2）（t1～t2）t1时刻，S1通过ZVS方式关断，初级电流ip(t)通过并联电容C1（充电），C2（放电）继续沿原方向流动。C2通过一段时间的放电，在t12时刻，电压降为零，S2上的反并联二极管开始续流。此过程中，电容C2两端电压uc2(t)的变化过程为

并且有

上两式中，Iopt为变压器在t1时刻的初级电流，Vdc为输入端直流母线电压。可以看出C1、C2越大，超前桥臂由导通转为截止后，C2上的电压降至零的过渡时间越长，因此超前桥臂ZVS实现的越好。且在轻载情况下即Iopt较小时，过渡时间也越长，这就比移相全桥控制在轻载情况下ZVS实现的好［4］。

由于Cb两端电压的影响，在t2时刻环流衰减至零，则变压器初级电流的变化过程为

所以环流持续时间为

此时ucbp(t)达到最大值Ucbp。由此可近似得到

3）（t2～t3）t2时刻后变压器初级电流降为零，到t21时刻S4关断，此时S4上的电压电流均为零，S4是经ZVZCS方式关断，经过一个固定死区时间后，在t3时刻，S2、S3同时导通，由于此时S2两端的电压Ucbp，且设计保证Ucbp小于1/10的Vdc，且此时环流已经衰减至零，可以近似认为S2是经过ZVZCS方式开通的。

t3时刻后之后，开始后半个周期，其工作过程与前半个周期类似。

3 基于PIC18单片机的数字控制系统的实现

3.1 数字控制系统设计方案

基于PIC18单片机的直流变换器数字控制系统设计方案结构图如图3所示，以PIC18单片机作为数字控制核心。输出采集电路将当前输出的电压电流信号通过PIC18内部的ADC模块转换为数字信号后与通过数字触摸屏交互给定的输出值进行比较，利用误差反馈调节当前PIC18的PWM输出信号，经隔离驱动电路对功率主电路中的开关管进行驱动。以数字触摸屏代替传统的数码管和实体按键作提供一体式的交互手段，通过异步串口与PIC18进行通信，不仅可以输入给定值调节系统的输出，同时也可以显示当前的输出电流电压值。保护电路通过输出采集电路和输入采集电路采集对输入端和输出端进行输入欠压，输入过压，输出过压和输出过流保护，当保护电路一旦检测到发生以上其中任何一个故障，就会产生一个低电平信号触发PIC18的特殊功能中断，PIC18将会立即停止所有PWM输出，从而到达保护系统的目的，这个保护过程是由硬件完成，可靠性高。辅助供电模块负责向PIC18、驱动隔离电路，以及其他相关的采集或比较电路提供工作电压和参考电压。基于PIC18的控制电路如图4所示。

图3 数字控制系统设计方案结构图

图4 基于PIC18F25K22的控制电路

3.2 有限双极性PWM驱动的实现

由于PIC单片机的PWM输出模块——CCP模块的PWM工作模式下四路输出都为相同占空比和周期的PWM信号，在实际工程中驱动电机或者逆变桥时较为不便。因此在PIC18系列单片机中为CCP模块添加了新的ECCP（增强型PWM模式）工作模式［5］，用来应对实际工程应用可以在四路输出上同时产生不同的PWM信号来应对不同是使用场合，其工作原理与普通PWM模式一致，并且ECCP模式下还能提供PWM自动关闭、自动关闭、可编程死区时间和PWM转向模式等功能。ECCP模式可以产生以下五种PWM输出模式：

1）单PWM；

2）半桥PWM；

3）全桥PWM，正向模式；

4）全桥PWM，反向模式；

5）带PWM转向模式的单PWM。

由于本设计采用有限双极性控制全桥拓扑，超前桥臂两个开关管用两个独立基准定时器的标准CCP模块进行驱动，利用定时手段产生半周期的相位延迟。滞后桥臂两开关管脉宽时间固定，均为周期的50%，一个周期内脉宽信号互补。因此为了减少使用多个PWM模块独立输出时可能产生的误差，使用ECCP模块的半桥模式为滞后桥臂两开关管提供PWM驱动，ECCP半桥模式下，PxA引脚输出被调制的PWM信号，PxB输出其互补信号，并且可以利用PWMxCON寄存器设置可编译死区时间，防止产生“直通”问题［6］。ECCP模式下也支持自动关闭功能，利用外部信号触发INT0中断，自动关闭PWM输出，为保护电路的功能实现提供基础。利用标准CCP模块和ECCP模块混合使用产生有限双极性PWM输出的时序图如图5所示。

图5 PIC18输出的有限双极性控制PWM驱动波形

PWM输出信号周期的确定相对比较简单，主要取决于专用的特殊功能寄存器PR2中的预设值。当定时器TMR2启动定时模式后，其基准触发频率就是单片机系统内核频率的4分频。TMR2还可以带一个可编程的预分频器。PWM信号周期的公式关系如下：

其中：Tosc为系统的时钟周期，4Tosc为系统的指令周期，TMR2预分频值可以取1、4或16，PR2为周期寄存器的初始值。

PWM输出的占空比是通过对脉宽寄存器进行设定实现的，CCP模块的脉宽寄存器是一个10位的符合单元，数值等于PR2周期寄存器设定的周期值乘以需要输出的PWM占空比，其高8位是通过CCPRxL来设定脉宽数值的整数部分，低2位是通过CCPxCON＜5，4＞两位来设定脉宽数值的小数部分，PWM脉宽（高电平持续时间）计算公式如下：

3.3 数字控制系统的软件实现

数字控制系统的软件结构图如图6所示，采用主循环加中断子函数的结构化设计。除串口通信函数需要与触摸屏进行周期性通信外，其余软件模块都以中断子函数的形式与主函数进行调用和返回。

图6 数字控制系统软件结构图

各软件模块的具体功能如下：

1）USART串口通信模块，使用PIC18单片机的USART模块的异步模式和数字触摸屏进行串口通信，将电源当前输出参数和故障检测状态等参数发送给触摸屏；接收触摸屏发送的工作模式和输出参输的设定数据，跟根据通信协议打包和解算通信数据。

2）A/D转换模块，将外部采样电路采集到的电流电压模拟信号量进行A/D转换成数字信号量数据储存起来，或经过串口通信模块发送到上位机进行显示，或送入数字PID调节模块来对占空比进行调控。

3）数字控制算法模块，当A/D转换模块完成一个周期的采样后，采用无静差二次型最优控制算法得到一组新的PID参数［7］，并将从串口通信模块获得的电源输出的设定值作为参考值与A/D转换模块的结果值进行比较，将差值送入数字PID控制程序计算出当前输出控制量，用该控制量调节当前输出的占空比［8］，再将占空比送入PWM输出模块。

4）PWM输出模块，使用PIC18单片机的PWM输出功能，根据数字PID调节模块最后计算出的占空比输出相应的PWM信号送入外部开关管驱动电路。

4 系统测试

本方案设计已经应用于一款输入200-240VDC，输出DC电流5-36A恒定可调，输出DC电压最大0-52V，使用IGBT作为开关器件，开关频率50KHz的高频开关电源模块的设计中。系统相关测试波形如下：图7为超前桥臂在轻载（40%）和重载（100%）时实现ZVS零电压开关的波形，其中通道1为IGBT门极与集电极之间的驱动信号ugc波形，通道2位IGBT发射极与集电极之间的管压uec波形，可以看出，由于超前桥臂开关管的并联缓冲电容的存在，开关管管压的上升沿和下降沿放缓，使得其在驱动信号上升沿到来前已经降为0，在驱动信号下降沿到来之后才上升，很好地实现了超前桥臂开关管的ZVS零电压开关。

图7 超前桥臂轻载和重载时ZVS波形

图8 为滞后桥臂在轻载（40%）和重载（100%）时实现ZCS零电流开关的波形，其中通道1为IGBT发射极与集电极之间的管压uec波形，通道2位为IGBT集电极流过的电流Ie波形，可以看出，当IG⁃BT开通时，由于高频变压器漏感的存在，变压器原边电流延迟了一小段时间后才开始上升［9］，集电极电流和管压几乎没有交叠产生，实现了滞后桥臂开关管的ZCS零电流开通，而在IGBT关断时，集电极电流也在管压上升沿到来前降为零，实现了滞后桥臂开关管的ZCS零电流关断［10］。

图8 滞后桥臂轻载和重载时ZCS波形

可以看出该电源模块可以在较宽的负载范围内实现开关管的ZVZCS软开关，有效减小了开关管的开关损耗，从而提高电源转换效率，经测试整机效率最高可达到90%以上，输出电流的控制精度小于1%。

5 结语

本文设计的基于PIC18单片机的数字控制有限双极性ZVZCS-PWM全桥直流变换器，经过测试，系统性能良好。可以在较大的负载范围内实现超前桥臂开关管的ZVS零电压开关和滞后桥臂开关管的ZCS零电流开关，从而减小开关管的开关损耗，提高整机的转换效率。同时，采用数字控制算法提高系统控制精度，数字控制系统也使得电路设计简化，提高电路的可靠性和抗干扰能力。

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Design of a Digital Control DC/DC Converter Based on PIC18 MCU

LIU Kang
（Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094）

The DC/DC converter which adoptes traditional analog control method has relatively fixed hardware construction and control method.It's restricted the flexibility and the expansibility of the R&D of power supply.Along with the development of em⁃bedded technology，it has widely used in power electronics field，The digital control method is gradually taking the place of analog control method and become the first choice used in the development of high-performance power supply.This paper proposes a de⁃sign of digital control DC/DC converter based on PIC18 MCU，and adoptes full-bridge DC/DC converter which uses limited bipolar control mode as its main circuit topology.This design has been proven to be practicable，the power supply made by this design has high efficiency and control accuracy of output.

full-bridge converter，digital control，PIC18 MCU，limited bipolar

Class Number TH311

TH311

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.042

2017年6月8日，

2017年7月29日

刘康，男，硕士研究生，研究方向：高频开关电源设计和嵌入式软件开发。