数控开关电源设计_图文

1、1 绪论1.1 课题研究背景开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量 的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号 来设计和工作的,其抗干扰能力不太好,信号有畸变。电源作为各种电子设备必 不可少的重要组成部分,其性能优劣直接影响到整个电子系统的性能指标。随着 科技的发展,电子设备不断更新换代,其种类越来越多,对电源的性能指标的要 求越来越高,加之不同的电子设备对电源的要求又不尽相同,这样,给电源的研 究带来了许多新的研究课题。 在传统功率电子技术中, DC/DC变换器控制部分是 按模拟信号进行设计和工作的。在六、七十年代,功率电子技术完全建立

2、在模拟 电路的基础上。但是近年来,随着数字信号处理技术的日益完善、成熟,微处理 器 /微控制器和数字信号处理器的性价比不断提高, 数字控制在功率变换器中得到 广泛应用。它使得开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高 了开关电源的性能和可靠性。例如电机、不间断电源(UPS 的控制电路都选用 各种数字信号处理器或微处理器作为其核心控制部件。 功率变换器已由模拟控制、 模数混合控制,进入全数字化控制阶段。相对于模拟控制,数字控制有许多优点 1:(1 数字控制可以实现各种复杂的控制策略, 提高控制系统的性能。 由于开 关器件的存在,功率变换器是强非线性系统。传统的模拟控制是在功率变换器近

3、 似线性模型的基础上,利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络,这种方法 设计简单且容易实现。但随着对电源性能指标的要求不断提高,这种设计方法很 难提高系统的控制性能。而数字控制可以实现各种非线性控制策略,使得控制系 统的性能大大提高。(2 数字控制系统具有很强的抗干扰能力。 模拟元器件易受环境和温度的变 化影响,所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受到器件老化、环境或参数 变化的影响,比模拟控制器更稳定可靠,具有很强的抗干扰能力。(3 数字控制系统灵活性高, 数字化极大地简化了变换器控制的硬件。 采用 数字控制技术可以设计统一的硬件平台,适用不同的变换器系统,只通过软件的 改变就可以改变控

4、制策略, 无须硬件更改, 同时, 数字控制系统更容易实现过压、 过流保护、输出电压调节、故障监测及通讯等功能,使电源“智能化”。总之,对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活 性等,变换器的性能主要由软件来决定,而不是在于大量离散元器件的参数,这 就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能,由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变 换器的一大发展趋势。1.1.1 开关电源的发展历史开关稳压电源(以下简称开关电源取代晶体管线性稳压电源(以下简称线 性电源 已有 30多年历史, 最早出现的是串联型开关电源, 其主电路拓扑与

5、线性 电源相仿,但功率晶体管了作于开关状态后,脉宽调制(PWM 控制技术有了发 展,用以控制开关变换器,得到 PWM 开关电源,它的特点是用 20kHz 脉冲频率 或脉冲宽度调制 PWM 开关电源效率可达 6570%, 而线性电源的效率只有 30 40%。在发生世界性能源危机的年代,引起了人们的广泛关往。线性电源工作于 工频,因此用工作频率为 20kHz 的 PWM 开关电源替代,可大幅度节约能源,在 电源技术发展史上誉为 20kHz 革命。随着 ULSI 芯片尺寸不断减小,电源的尺寸 与微处理器相比要大得多;航天,潜艇,军用开关电源以及用电池的便携式电子 设备(如手提计算机,移动电话等更需要

6、小型化,轻量化的电源。因此对开关 电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关 电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。1.1.2 我国开关电源历程我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源的研制工作始于 60年代初期,到 60年代中期进入实用阶段, 70年代初开始研制无工频变压器开关稳压电源。近 10多年来,许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源,并广泛用于 电子计算机、通讯和彩色电视机等领域,效果较好。工作频率为 100kHz-200KHz 的高频开关稳压电源于 90年代初试制成功,已走向应用阶段。 90年代后,随着 国外控制芯片的发展和引进, 200kHz

7、以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成 熟,并在许多领域替代了工作频率较低的开关电源。目前国内正在致力于研制高 工作频率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方 面取得了长足的进展,但与发达国家相比,仍存在着较大差距,尤其是开关电源 PWM 控制芯片,因为现有开关电源所用的 PWM 芯片几乎全部来自于国外。根 据有关资料报道,西方发达国家把开关电源的工作频率己经提高到 1MHz ,甚至 几十 MHz 。 由于我国半导体技术和加工工艺还落后于西方发达国家, 致使我国自 行研制的开关电源中许多重要器件还依赖进口。要缩小与西方发达国家在开关电 源研制方面的差距,尚需加快研发的步

8、伐。1.1.3 开关电源技术发展动向(1小型、薄型、轻量化由于电源轻、小、薄的关键使高频化,因此,国外目前都在致力于同步开发 新型元器件,特别是改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化,并同时采用 表面安装(SMT 技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。 (2高效率开关电源高频化使传统的 PWM 开关(硬开关功耗加大,效率降低,噪声 也增大了,达不到高频、高效的预期效益,因此,实现零电压导通、零电流关断 的软开关技术将成为开关电源未来的主流。采用软开关技术可以使效率达到 85%88%。(3高可靠性可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍, 因此, 降低了可靠性。 追求寿命

9、的延长要从设计方面着手,而不是从使用方面着想。(4模块化可用模块电源组成分布式电源系统;可以做成插入式,实现热交换,从而在 运行中出现故障时能快速更换模块插件;多台模块并联可实现大功率电源系统。 此外,还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩大容量。(5低噪声开关电源又一缺点时噪声大,单纯追求电源高频化,噪声也随之增大。采用 部分谐振变换技术,在原理上说明可以高频化,又可以低噪声。但谐振变换技术 也有其难点,如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管 的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。(6抗电磁干扰(EMI 当开关电源在高频下工作时,其噪声通过电源

10、线产生对其他电子设备干扰, 世界各国已有抗 EMI 的规范或标准。(7电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制和管理,可以及时反映开关电源环境的各种变 化。中央处理单元实现智能控制,可自动诊断故障,减少维护工作量,确保正常 运行。(8计算机辅助设计(CAD 利用计算机对开关电源进行 CAD 设计和模拟试验,十分有效,是最为快速 经济的设计方法。(9产品更新加快目前开关电源产品要求输入电压通用 (使用世界各国电网电压规模 , 输出电压范围扩大,输入端功率因数进一步提高,具有安全、过压保护等功能。1.2 DC-DC变换器动态分析方法概述一般来讲, DC-DC 变换器建模方式可分为两大类。 一

11、类称为数字仿真法,一 类称为解析建模法,如图 1.1所示。数字仿真法是利用各种各样的算法求得变换 器某些特征性的数字解的方法。 执行这类方法常常要利用数字计算机辅助来完成。 数字仿真法又分可为两种,一种是直接数字仿真法,一种是间接数字仿真法。数 字仿真法的优点是准确度和精确度都高, 可以得到响应的完整波形, 适用范围广, 既可以进行小信号分析,也可以进行大信号分析,用起来方便;缺点是物理概念 图 1.1 DC-DC 变换器建模方法分类解析建模法是指能用解析表达式表示其特性的建模方法。为做到这一点,在 建模过程中常常需要做出某些近似的假定,以简化分析。解析建模法也可分为离 散法和连续法。如图 1

12、.1右半边所示,离散法是以某一变量在一个周期中特定时 刻的值为求解对象。建立描述这个变量与各作用量之间关系的差分方程或 Z 变换 函数,求解这个差分方程或通过 Z 域分析,得到其解析解。这个方法的优点是准 确度高;缺点是分析程序复杂,所得结果更为复杂。连续法也称连续建模法,是 目前应用最广泛,最基本的方法,是指把本来在一个周期有两个或三个不同电路 拓扑的电路,经过某种意义的平均处理,变为一个只有一种电路拓扑的连续工作 的电路,即其工作可用一个连续的微分方程或者 S 域传递函数来描述。通过求解 微分方程式或者 S 域分析得到其稳态和动态小信号的解析解,这种方法优点是简 单,物理概念清楚,可以利用

13、线性电路理论和控制理论来对变换器系统进行稳态 和动态分析,对于变换器有指导意义。它的缺点是在信号频率较高,特别是接近 开关频率一半的时候,准确度比离散法或数字仿真法低。但一般情况下其准确度是足够的。连续平均法是目前应用最广泛的,最基本的方法。连续平均法也可分 为两种形式,一种是状态空间平均法,一种是平均值等效电路法,如图 1.1下半 部分所示。状态空间法是从变换器的不同拓扑下的状态空间方程出发,经过平均 小信号扰动线性化处理, 得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模型; 平均值等效电路法是从原变换器出发进行电路处理, 最后得到一个等效电路模型。 平均值等效电路法与状态空间平均法在其推导过程

14、中的假定条件相同,所以,它 们的准确度,适用范围也相同。都是适用于稳态和低频小信号扰动情况下,状态 空间平均法在推导过程中开始可以不涉及变换器的具体电路,而从周期性工作的 断续系统的状态方程出发,得到表征系统稳态和动态小信号模型与变换器原型的 拓扑结构是不同的,而且不连续导电模式相同,平均值等效电路模型的推导要从 具体变换器电路开始,然后得到等效电路模型 2。1.3 本课题的主要研究内容目前在小功率开关电源的设计中, 普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术。 使用专用 PWM 控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉 等优点, 但它的智能化程度低人机交互性能差。针对这一现状, 本

15、文采用以 AVR 单片机为控制核心设计出的小功率数控稳压开关电源,可以克服以上缺点。 本文以 Buck 变换器为研究对象,设计了一个可控的开关电源。分析变换器 的工作状态,连续模式(Continuous Conduct Mode ,简称 CCM 和断续模式 (Discontinuous Conduct Mode ,简称 DCM 以及各自的特点、应用场合,论证 了两种工作状态的临界模式,从电路参数的角度明确了二者的界限,为后面的设 计奠定理论基础;通过对整个变换器系统建立准确的数学模型,对此变换器的电 路结构做了进一步的研究,定性、定量地分析了变换器各部分的工作状态,为仿 真和实验参数的确定以及

16、电路参数的优化提供理论依据;从稳态分析的角度,为 系统建立了动态小信号状态方程并推导出系统的传递函数, 利用 matlab 对系统进 行仿真,进而根据仿真结果对系统进行校正;最后,在前面所做工作的基础上, 结合设计要求计算出此变换器系统中每个元器件的数值,搭建了硬件电路。实验 电路的实验结果表明:该变换器的各项性能指标达到了设计要求,验证了设计方 案的可行性以及理论分析的正确性。在研究分析了 Buck 型 DC/DC变换器建模方法的基础上, 使用 PID 控制策略。 通过对 Buck 变换器和进行建模仿真验证了这种控制策略,仿真结果表明,该算 法具有很好的动态响应,非常适合于对 DC/DC变换

17、器动态性能要求比较高的场 合。 为了实现这种控制策略, 本文以 A VR 的 ATMega16为核心控制器件, 以 Buck 变换器为试验平台设计了系统硬件电路,并通过软件编程最终进行了实现。试验 结果表明这种控制策略具有很好的控制性能,算法实现比较简单,同时控制模块 设计简单,可靠性高,是一种比较实用、易于实现的控制算法。系统采用 A VR 单片机作为开关电源的控制核心,其工作原理为:利用 A VR 单片机片上集成 A/D,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,输出脉冲调制信号,直接控制功率开关脉宽的大小。电路主要部分包括整流 滤波模块、开关电源控制模块、过流保护模块、 L

18、CD 液晶显示模块等。根据实际 要求,合理选用 MOSFET 功率器件,自制电感并配置系列。2 开关电源基本原理概述2.1 开关电源基本原理2.1.1 开关电源基本构成开关电源的基本电路由“交流 -直流变换电路” 、 “开关型功率变换” 、 “控制电 路”和“整流滤波电路”等组成如图 2.1所示, . 输人的电网电压通过“交流一直 流变换电路”中的整流器和滤波器变换成直流电,该直流电源作为“开关型功率 变换器”的输入电流,经过“开关型功率变换器”将直流电转变为高频脉冲方波 电压输出给“整流渡波电路” , 变成平滑直流供给负载,控制电路则起着控制“开 关型功率变换器”工作的作用。 图 2.1 开

19、关电源原理图就图 2.1的每一部分的作用、原理分别简述如下:(1 输入滤波器:消除来自电网的各种干扰,如电动机启动,电器开关的 合闸与关闭,雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电 网扩散而污染电网。(2 AC-DC 变换电路:将电网输入的交流电进行整流滤波, 为变换器提供 波纹较小的直流电压。而且,当电网瞬时停电时,滤波电容储存的能量尚能使开 关电源输出维持一定的时间。(3 功率变换器 (DC/AC:它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换 成高频交流电,经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。(4 输出整流滤波:将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电 压。同

20、时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。(5 控制电路:检测输出直流电压,与基准电压比较,进行隔离放大,调 制振荡器输出的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。2.1.2 开关电源的分类开关电源可分为 AC/DC和 DC/DC两大类。1. DC/DC类开关电源 DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变成可变的直 流电压,也称为直流斩波器,其工作方式有两种:一是脉宽调制方式, T 不变, 改变 t , 二是频率调制方式, t 不变而改变 T(易产生干扰 。 具体电路分以下几类 3-5: (1 Buck 电路一一降压斩波器,其输出平均电压低

21、于输入平均电压,极性 入出相同;(2 Boost 电路一一升压斩波器,其输出平均电压高于输入平均电压,极 性入出相同;(3 Buck-Boost 电路一一降压或升压斩波器,其输出平均电压大于或小于 输入电压,极性入出相反,电感传输;(4 Cuk 电路一一降压或升压斩波器,其输出平均电压大于或小于输入电 压,极性入出相反,电容传输。2. AC/DC变换器 AC/DC变换器是将交流变换成直流, 其功率电流流向可以 是双向的。功率电流流向负载的称为 “整流” ,功率电流流向电源的称为“有源逆 变” 。 AC/DC变换器按电路的结构方式可分为半波电路和全波电路 ; 按电路的特点 可分为不可控、半控和全

22、控三类:按电源相数可分为单相、三相和多相 ; 按电路工 作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。3. . 电路结构开关型稳压电源的电路结构有多种:(1按驱动方式分,有自励式和他励式;(2按 DC/DC变换器的工作方式分,有单端正激式、推挽式、半桥式、全 桥式、降压式、升压式和升降压式等;(3按电路组成分,有谐振型和非谐振型;(4按控制方式分,有脉宽调制式、脉冲频率调制式和 PWM 与 PFM 混合 式;(5 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分, 有隔离式、 非隔离式和变 压器耦合式等。2.2 PWM开关电源基本原理早在 20世纪 60年代 Buck 开关电源就开始应用于电子设备中,它

23、将快速通 断的晶体管置于输入与输出之间, 通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。 该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成,方波脉冲的平均值就是直流输出电压。 使用合适的 LC 滤波器可将方波脉冲平滑成较小纹波的直流输出,其值等于方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈,通过检测输出电压并结合负反馈控制 占空比,稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影响。开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中,让功率晶体管工作在线 性模式,与线性电源不同的是, PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关 断状态。 在这两种状态中, 加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的 (在导通时, 电压低,电流大;关断时

24、,电压高,电流小 。功率器件上的伏安乘积就是功率半 导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比, PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波” ,即把 输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比 是开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过 变压器来生高或降低。 通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。 最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很 类似。也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调 节器相同。它们的不同之处在于,误差放大

25、器的输出(误差电压在驱动功率管 前要经过一个电压脉冲变换单元。2.2.1 Buck开关电源的拓扑结构 图 2.2 Buck 变换器原理图(1各元器件功能Q 开关管; D 继流二极管,在 off t 时为 L I 提供回路; L 输出滤波电感,起储能 作用; C 输出滤波电容,起储能作用。(2电路各点波形v i L i S i D i C v L图 2.2(a 电感电流连续(CCM 图 2.2(b 电感电流不连续 (DCM2.2.2 稳压原理设占空比 D ,由图 2-1所示,当开关 Q 导通时,忽略 Q 上损耗的压降, T 流 过电感的电流为 i :它呈线性增长,由电感的状态方程可得L IN O

26、UT di L V V dt=- (2.1 当开关 K1关断时,二极管 Dl 反向导通续流,流过电感的电流 i :减小,忽 略 Dl 上的损耗,电感 L 的状态方程为L OUT di L V dt=- (2.2 关电源处于 CCM 时,开关的导通时间为 DT ,电感电流的变换量为 ( IN OUT V V DT L -, 开关的关断时间为 (1 D T -, 电感电流的变换量为 (1 OUT V D T L -在 稳定状态时,一个周期内电感电流的变化量为零,因此( (1 IN OUT OUT V V DT V D T L L-= (2.3 OUT IN V DV = (2.4 公式 (2.4表

27、明, 稳态时开关电源的输出电压是一个常数, 其大小与占空比 D 和电源输入电压成正比。当电源电压变化时,系统通过调整占空比来获得稳定的 输出电压开关电源处于 DCM(不连续工作模式 时,电感的初始电流为 0,导通时间内电感电流由上文可知为 ( IN OUT V V DT L -电感的峰值电流为 ( IN OUT p V V DT I L-=,设开关的关断时间为 off t 则电感电流的变换量为off OUTt V L,从而可得( IN OUT off V V DTt L-=(2.5在一个周期内,输出端电感向输出电容传递的电荷为 Q ,它可以通过对电感 电流积分得到,也就是电感电流三角波下的面积

28、。因此,可得负载电流 O I 为( 2offIN OUT off O p DT t V V DT t D Q I I T T L+-+= (2.6 有公式(2.5 、 (2.6212(INOUT O IN V V LI D TV =+ (2.7 由式 (2.7可知,所选用的输出电感越小,负载电流越小,开关电源越容易进 入不连续工作状态。当(1 off t D T =-时,可得连续与不连续模式的临界电流1( 2IN OUT OCR V V DTI L-=(2.8表明,当负载电流小于 1OCR I 时,开关电源进入不连续工作状态。3 Buck变换器模型与 MATLAB 仿真分析设计一个具有良好动态

29、和静态性能的开关电源时,控制环路的设计是很重要 的一个部分,而环路的设计与主电路的拓扑和参数有极大关系。为了进行稳定性 分析,有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。在频域模型下,波特图提供 了一种简单方便的工程分析方法,可用来进行环路增益的计算和稳定性分析。由 于开关电源本质上是一个非线性的控制对象,因此,用解析的办法建模只能近似 建立其在稳态时的小信号扰动模型,而用该模型来解释大范围的扰动(例如启动 过程和负载剧烈变化过程并不完全准确。好在开关电源一般工作在稳态,实践 表明,依据小信号扰动模型设计出的控制电路,能使开关电源的性能满足要求。 本文开采用 Buck 电路,工作在固定频率 PWM

30、 控制方式以此为基础进行分析。 这众多的方法中,最常用的是状态空间平均法。状态空间平均法是基于电源 响应频率比开关频率小得多的实际情况,将功率级的状态方程进行数字处理和简 化后得到一个近似的小信号线性电路模型或等效电路。本文关心的是整个系统的整体性能,而并不需要了解系统在闭环工作时每个 具体器件的开关波形,所以本文以 Buck 变换器为例建立了其状态空间平均模型。 由于种种限制,在 DC/DC变换器的控制方面只是最近几年才有了较为集中的研 究,且由于 DC/DC变换器的精确模型较难建立,传统的控制方法较难得到好的 控制特性。随着微电子技术,现代控制理论以及 EDA 技术等领域的飞速发展, 越来

31、越多的先进控制方法被用来控制 DC/DC变换器,大大的改善了其性能,增 强了鲁棒性。对这些先进控制方法的仿真具有重要的现实意义。3.1 Buck变换器小信号模型建立及分析 图 3.1 BUCK 电路由于 Buck 电路具有简单、直观、易于控制和分析的特点,以下首先以 Buck 变换器为控制对象进行控制系统仿真分析。 BUCK 变换器有两种工作状态:开关 管导通模式 (图 3.2(a 所示 和开关管关断模式 (图 3.2(b所示 。为简单起假定开关是理想的,同时认为状态变换是瞬间完成的,且工作于电流连续的状态。若设 占空比为 D ,则通过图 3.2(a (b 所示两种工作状态: (a 开通 (b

32、 关断图 3.2开关 Q 开通和关断时的两等效电路在 Q 导通时,工作状态如图 3.1(a所示图中 in i 是输入电流,以电容电压 c u , 电感电流 f L i 为状态变量列写状态空间平均方程:101110Lffc i fL t f in u cf L f td L i d L U d u C R C d =+ - (3.1 0110fL o s c i U i u = (3.2 Q 关断时,工作状态如图 3.2(b所示。状态空间平均方程为:1011Lf fc i f L t u cf L f td L i d d u C R C d - = - (3.30100fL o s c i U

33、 i u = (3.4 令:fL ciX u = , o s U Y i = , 11011ffL f L A CR C = - , 110fL B = 21011f fL f L A C R C - = - , 200B = , 10110TC = , 20100T C = 然后对两种状态进行平均得:12121210110010f f L f f T T T in T L A A D A D C R C D L B B D B D C C D C D DX AX Bu Y C X - '=+= - '=+= '=+= =+=(3.5在稳态时 X=0,因此有: 11in

34、T inX A Bu Y C A Bu -=-=- (3.6 式 (3-6是稳态方程。对式 (3-5进行小信号扰动,同时忽略二阶信号,再进行 拉式变换,整理得:( 1212( ( 12(s in in s T T T s s sX AxBu A A X B B u d Y C x C C Xd =+-+-=+ (3.7 将式 (3-7展开得:ff f f c in L in f f fL c c f L f o c s L L u u D si u d L L L i u su C R C u u iDi I d=-+=-=+ (3.8 由式 (3-8可得输出电压对输入电压,输出电压对占空比的

35、传递函数分别为:( 2( 01s o s io fi s d f f Lu DG L uL C s s=+ (3.9( ( 2(01us i o s idv fs f f Lu U G dL C s sR =+ (3.103.2 控制系统的参数设计3.2.1 控制系统的传递函数根据上一节建立的系统稳态方程以及小信号模型表达式,写出了系统的传递 函数, Buck 变换器原理图如图 3.3所示 图 3.3Buck 变换器原理图下面结合具体的电路参数加以分析,根据具体的设计指标 Buck 电路参数为20in V V =, 12O V V =, 150L uH =, 1000C uF =, 10R =

36、。 推 导 出2133333333( 1006666667G s s s =+3.2.2 利用 MATLAB 对系统进行仿真据此, 利用 MATLAB 对系统进行仿真, 得到系统开环幅频特性如图 3.4所示。 这一波特图是非常典型的波特图,所有源于 Buck 变换器的 DC/DC变换器,如正 激、推挽、半桥、全桥等变换器都具有相似的波特图。低频段,相移最小,具有 一定的低频增益, 由于 LC 滤波器引入的双极点, 增益以 -40db/十倍频的斜率变化 M a g n i t u d e (d B 10 101010P h a s e (d e g Bode DiagramFrequency (

37、rad/sec图 3.4 系统开环幅频特性显然,该系统相位裕量很小,系统穿越频率低,而在实际系统中,要求系统 有一定的稳定裕量以保持系统的鲁棒性, 同时使系统获得较好的暂态特性。 因此, 控制器设计必须保证足够的低频开环增益以使系统稳态误差满足要求,且开环穿 越频率尽可能高, 有充分的稳定裕量以满足系统动态性能要求 17。 当变换器受到 负载扰动或输入电压扰动时,其输出电压会出现上冲或下冲,然后逐渐恢复到稳 态值。一般以过冲幅度和动态恢复时间表示动态性能,系统动态响应恢复时间与 系统开环穿越频率相关,穿越频率越高,动态恢复时间越短;过冲幅度和系统相 位裕量有关,相位裕量越大,波动幅度越小。对于

38、一个稳定的调压系统,增益裕 量应大于 6dB ,相位裕量大于 45o6-73.3 PID算法优化控制PID 控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可 靠性高,应用极为广泛,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。模 拟 PID 控制系统原理框图如图 3.5所示。 图 3.5 模拟 PID 控制系统原理框图3.3.1 加比例 P 控制器所谓比例调节是指调节器的输出信号与输入偏差信号成比例关系。 P 调节有 如下特点:有差调节; 系统静差随比例带的增大而增大; 不适合随动系统; 增大比例增益不仅可以减小静差,还可以降低系统惯性。 图 3.6 Simulink 仿真原理图

39、3.3.2 加入 PI 比例积分控制器所谓积分调节是指调节器的输出信号与输入偏差信号的积分成比例关系。 PI 调节有如下特点:无差调节;与 P 调节比较,过渡过程缓慢,系统稳定性变 差;增大积分速度可以提高系统响应速度,但却增加系统的不稳定性。由原系统传递函数可知, 该系统为稳定系统, 当加入 PI 比例微分环节后, 可 通过频率响应法来判断其稳定性。 当加入 PI 比例微分控制器后, 系统的传递函数 为:2221(1(1(1 /1PI s KcG s bKcms Kc s ms bKcs bKcs bm bKcs s +=+=+=+其中的 PI 比例微分环节 (1( c c K s G s

40、s+= 3.3.3 加入 PID 比例积分控制器在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制规 律,简称 PID 。即使是科学技术飞速发展、许多新的控制方法不断涌现的今天, PID 作为最基本的控制方式仍显示出强大的生命力。 PID 之所以能够作为一种基 本控制方式获得广泛应用,是由于它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应 性广等许多优点。因此,在过程控制中,一提到调节器控制规律,人们总是首先 想到 PID 。PID 控制特点如下:(1其中的比例环节可加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差, 但是过大的比例系数会使系统由比较大的超调,并产生震荡,使系统的稳定性变

41、差。(2其中的积分环节有利于减小超调,减小震荡,使系统的稳定性增强,但会 增加系统调节时间。(3其中的微分环节有利于加快系统的响应速度,使系统快速稳定。 (4PID就是综合比例、积分、微分的优点,取长补短,对其参数进行适当的 整定后,可以使系统兼顾各个方面而满足要求。当加入 PID 后,系统的传递函数变为Kcb s bKcT s T bKcT mT Kcs KcT s T KcT s G +=222122221 ( ( 其中 PID 控制环节11( (21sT s T Kc s Gc += 其中 c K 比例增益; 1T 微分常数; 2T 积分常数3.3.4 加入 PID 控制器研究与分析基于

42、 Bode 图的频域法的控制器设计目标主要包括两个:一是提高穿越频率 (即带宽 , 它决定了动态响应速度; 二是增大相位裕量, 它决定了动态响应输出 的上冲和下冲幅度。这里控制器采用的是 PID 控制器, PID 控制器传递函数为:(I c P D KG s K K s s=+ (3.11式(3.11中,为比例增益,为积分增益,为微分增益。控制器个极点和两 个零点, PID 设计的优势在于能加快瞬态响应。经过反复试验,0.567P K =, 134i K =, 41.9810D K -=, (41340.5671.9810c G s s-=+ M a g n i t u d e (d B 10

43、10101010P h a s e (d e g Bode DiagramFrequency (rad/sec图 3.7 Buck 变换器小信号模型 Bode 图补偿后系统 Bode 图如图 3.7中绿色所示 8。显然,相位裕量和带宽都明显改 善。 相位裕量足够大, 增加了系统的稳定性, 而且系统的低频增益也得到了提高, 低频增益越高,系统稳态误差越小。4 开关电源的主电路系统设计开关稳压电源是指电压调整功能的器件是以开关方式工作的一种直流稳压电 源,具有高效率、体积小的特点,广泛应用于各种通信、电子、电器设备领域中 9。目前,在小功率开关电源的设计中,普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技 术。

44、使用专用 PWM 控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格 低廉等优点,但它的智能化程度低、人机交互性能差。针对这一现状,本文采用 以 A VR 单片机为控制核心设计出的小功率数控稳压开关电源可以克服以上缺点。 输输 输输图 4.1 基于 AVR 单片机开关电源原理图4.1 开关电源硬件设计指标和方案4.1.1 技术指标(1输出电压 outV 可调范围:222 V,步进 0.2 V;(3输出噪声纹波电压峰 -峰值100oppV mV, DC-DC 的满载效率 80%;(4可以通过按键调节输出电压,并在 LCD 上显示开关电源的参数相关信 息;(5具有故障自诊断,过压、过流保护等功能

45、。4.1.2 设计决策电源采用电压型控制的 Buck 电路拓扑,为了减小启动时的浪涌,输入级使 用了 NTC 热敏电阻减小充电电流, 而且控制部分使用了 ATMEGA16产生 PWM , 工作频率定在 62.5kHz 。 图 4.2 开关电源主回路原理图4.2 开关电源硬件设计和元件选取4.2.1 开关管的选择作为开关器件使用的晶体管,除了要具有放大特性以外,更重要的是应具有 开关快速和输出功率大等优点, 根据相关资料对比 MOSFET 与 IGBT 两种开关管, 其性能参数的对比如表 4.1所示 由于设计要求, 主要指标体现在输出电流电压分辨率、 测量值的误差、 纹波、 稳态度等方面。为了获

46、得较好的滤波效果,希望其斩波的频率越高越好,由于 MOSFET 管开关速度快, 选择 NMOS IRF84010, 其通断电流为 8.5A , 耐压 500V , 额定功率 125W 。截止时,最大漏电流为 1A,导通电阻仅有 0.85,可以满足设 计要求。 图 4.3 恒流电路IRF840的 G 极接 PWM 波变换后的直流电压, D 极接 15V/5A电流的电源 (可 采用开关电源 , S 极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值 为 10m、精度为 1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后, 可得到采样电阻两端的电压值 U ,而在已知采样电阻阻值情况下,很容易

47、得到流 经采样电阻的电流,即 I=U/R。由于负载与采样电阻在同一条支路,故流经负载 的电流也为 I 。 差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及 ADC 的参考电 压来选择,图 4.3中要求 R1=R3, R2=R4,放大倍数为 R4/R3。需要注意的是该 电路应该具有很高的输入阻抗,以减少对负载电路的影响。差分信号经 ADC 口 送入单片机进行处理。4.2.2电感 L1值的选定及损耗计算电感 L1值大,流过 MOSFET 功率管和输出滤波电容 C4的电流峰值小,但 电流上升斜率小, 电路抗干扰差且 MOSFET 功率管开通电流大, 电感值小, 电流 脉动大,冲击电流大,因此可知, L1

48、除了起滤波作用外,还有限制开关电流的作 用。由基本 Buck 变换器连续导电与不连续导电模式临界条件得 1112:(1 2s f L R D - (4.1 式中 D 为占空比, s f 为开关频率, R 为负载电阻。变换器要工作在连续导电 模式下,必须满足式 (4.1,则 1L 的最小值为:min (1 (2 s L D R f =- (4.2 在本设计中电网电压波动引起直流输入电压 U0的波动范围为 2425 V, 输出 电压范围为 222 V,计算脉冲信号最大占空比 max Dmax max min max100%o i o U D U U =+式中:max o U 为输出最大电压, mi

49、n i U 为输入最小电 压。取负载电阻为 40, s f 为 62.5 kHz,占空比 max U 为 0.48,代入式(4.2 ,可得 min L 为 160H 。另外,电感 L1的值不仅要满足变换器工作在连续导电模式的要求,还要满 足设计指标中电感电流脉动。假设允许最大电感电流脉动为 ipp ,则有 13:max min min min ( i o sU U D L ippf - (4.3 式中: max i U 为输入最大电压, min o U 为输出最小电压, min D 为脉冲信号最小占空比。取 ipp 为 0.5 A, s f 为 62.5 kHz,占空比:max max min

50、 max0.07o o U D U U =+ (4.4 max U 为 25V , min o U 为 2V , min D 为 0.07代入式 (4.3,可得 min 1L 为 52H 。综合以上所得, 取 1L 的值为 160H 。 电感损耗包括两方面 15:其一是与磁芯相关 的损耗,即传统的铁损 ; 其二是与电感绕组相关的损耗,即通常所说的铜损。铁损 分为磁滞损耗与涡流损耗,前者与频率成正比, 后者约与频率的 1.5次方成正比, 所以对于铁损而言,频率越低,损耗越少。铜损是由于漆包铜线具有阻性,当电 流流过铜线时会发热,这样降低电阻就成为减小铜阻的关键。由于线圈的匝数与 频率成反比,频率

51、越高匝数越小,电阻也越小,所以降低频率有利于减小铜损。4.2.3续流二极管的选择为了减小导通损耗和开关损耗,续流二极管要选用能够快速恢复的二极管 F107,这种二极管在 3A 电流时,他的导通电压是可以接受的。4.2.4滤波电容的选择 由于 0000( i I U C F U U U =+当开关管工作频率取 F=62.5 kHz 时,设纹波电压约 为 100mV ,则计算得到 C 数量级为 1000F 。实际调试后取电容为 4700F 。4.2.5辅助电源选择辅助电源主要是为了控制部分供电的由于电流源的主电路有高频的开关管在 工作噪声干扰大,所以为了确保控制部分的稳定性和可靠性,采用与主电路分

52、离 的电源电路供电。系统的前级供电方式如图 4.4所示 图 4.4 系统的前级供电示意图4.3 输入整流器 /滤波器部分的设计输入整流器 /滤波器电路在开关电源中不被人重视。典型的输入整流器 /滤波 器电流由三到四个部分组成:EMI 滤波器、 浪涌抑制器、 整流级 (离线应用场合 和输入滤波电容。许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正(PFC ,其电 路图如图 4.5所示。 +-图 4.5输入整流滤波电路4.3.1 EMI滤波器随着电子设计、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及,电网噪声干扰日 益严重并形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电 压振幅度高(几百伏至几千伏

53、 、随机性强, 对微机和数字电路易产生严重干扰, 常使人防不胜防,这已引起国内外电子界的高度重视。电磁干扰滤波器(EMI Filter是近年来被推广应用的一种新型组合器件。它 能有效地抑制电网噪声,提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性,可广泛用 于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。输入滤波的前级是 EMI 滤波器。 这个电感流过的是相对较大的直流电流, 并 且要防止高频开关噪声进入输入电源端。在交流离线应用场合,经常用共模扼流 圈,在本设计中, EMI 滤波器选用二阶共模滤波器。 EMI 滤波器的主要作用是滤 除开关噪声和由输入线引起的谐波。 图 4.6 EMI 滤波器

54、4.3.2 单相桥式整流电路单相桥式式整流电路适用与 1KW 以下的整流电路中。完成这一电路主要是 靠二极管的单向导电作用,因此二极管是构成整流电路的关键元件。(1工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流变换为直流的电路,因为是由四只整流 二极管接成电桥的形式,所以称为桥式整流电路 图 4.7 单相桥式整流电路(2参数计算 根输出电压是单相脉动电压,通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均 电压为:0221sinLV V td t =过负载的平均电流为:220.9LL LV IR=流过二极管的平均电流为:220.452LDL LI VIR=二极管所承受的最大反向电压:2RMAXV二级管的选择应

55、主要考虑以上两个因素。在这次设计中,我选用的是辅电路 选 N4007,主电路用 BUG808, 5A 的整流桥(3电容滤波电路参数的计算负载平均电压LV 升高,纹波减少,且LR C 越大,电容放电速率越慢,则负载 电压中的纹波成分越小, 负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压, 一般取:(352d LTR C=在本设计中,我采用 AD50V 的 4700µF 电容。4.4 输出整流和滤波电路经过高频开关变压器降压后的脉动电压同样要使用二极管和电容进行整流和 滤波,只是此时整流时的工作频率很高,必须使用具有快速恢复功能的肖特基整 流二极管,普通的整流二极管难当此任,而整流部分使用的

56、电容也不能有太大的 交流阻抗, 否则就无法滤除其中的高频交流成分, 因此选择的电容不但容量要大, 还要有较低的交流电阻才行。4.5 电流电压反馈回路电压反馈环的唯一功能就是使输出电压保持在一个固定值。即通过控制器件 控制端的电流来调节占空比,以达到稳压的目的。但考虑负载瞬态响应输出精度 等方面,电压反馈的设计就变得很复杂了。电压反馈环的核心部分是一个称为误差放大器的高增益运算放大器,这部分 仅仅是个高增益的放大器而已,它把两个的误差放大,并产生电压误差信号。在 电压系统中,这两个电压一个是参考电压,而另一个则是输出电压。输出电压在 输入到误差放大器之前先进行分压,分压的比例为电压参考值与额定输出电压的 比值。这样,在额定输出电压时,误差放大器产生一个“零误差”