【《Buck变换器的硬件电路及实验分析案例》4200字】

Buck变换器的硬件电路及实验分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30512Buck变换器的硬件电路及实验分析案例 134391.1硬件电路设计 127871.1.1功率电路 219531.1.2采样电路 3207411.1.3控制电路 464441.1.4驱动电路 5271821.1.5电源电路 7305791.2硬件电路测试 863281.3混沌控制验证 10硬件电路设计为验证本文所提混沌控制的有效性，设计了相应的Buck变换器硬件电路，硬件电路分为两大部分，一部分为控制、驱动及电源电路如图4.1所示，另一部分为功率及采样电路如图4.2所示。图4.1控制、驱动及电源电路原理图图4.2功率及采样电路原理图为说明电路各部分的具体功能，下面对其进行了详细的介绍。功率电路功率电路如图4.3所示，P1为输入侧接线端子，C1、C2为电容（其中C1作用为稳定输入侧电压，C2作用为滤波），Q1为碳化硅MOSFET，D1为二极管，L1为电感，P2为输出侧接线端子。VL+、VL-与采样电路（电压传感器）相连。其中碳化硅MOSFET器件Q1选用型号IMW120R045M1。其原理图和实物图如图4.4所示，关键参数如表4.1所示，它的优势在于：开关损耗非常低，为45mΩ、栅源电压可选择的范围较宽、基准栅极阈值电压VGS(th)=4.5VQUOTE，官方推荐的关断栅极电压可为0V，并且其关断时候的开关损耗与它本身的温度是无关的。同时具有更高的效率、可适用于更高的开关频率、实现更小的功率密度、降温速度也非常迅速，系统复杂性和成本也可以大大降低。在能源产生（如太阳能逆变器组）、工业电源（如业不间断电源、工业开关式电源）等方面具有巨大的潜在应用。图4.3功率电路原理图（a）原理图（b）实物图图4.4IMW120R045M1原理图及实物图表4.1IMW120R045M1关键性能和封装参数类型VDSIDRDS(on)Tj，maxMarkingPackageIMW120R045M11200V52A45mΩ175°C120M1045PG-TO247-3采样电路采样电路如图4.5所示，VL+、VL-与功率电路的输出侧两端相连，其中LV1为电压霍尔传感器，其型号为LV25-P，通过测量端M引脚接到牛角座Uref1引脚，同时接电位器R1来对传感器的测量值进行调节，R1可调节的范围为0-500Ω，实现将电流信号转变为电压信号功能。R2、R3为限流电阻，其作用为将流入LV1的电流限制到其可承受的范围之内。当LV1的+和-端分别接+15V和-15V时，流入LV1的电流值最大为10mA，当输出侧电压为110V时，则R2+R3至少应为110V/10mA=11kΩ，这里R2、R3全为10kΩ，满足要求。图4.5采样电路原理图LV25-P是一种利用霍尔效应的闭环电压传感器，其实物图如图4.6所示，外壳采用UL94-V0标准认证的绝缘塑料外壳，正确使用它进行电压测量时的注意事项为，用户应根据被测电压选择一个与外部电阻R来限制输入LV25-P的电流，并且R应与LV25-P的原边侧串联进行可靠连接。LV25-P的优势在于其可实现的精度相当高，同时拥有良好的线性度，并且热漂移小、相应速度快、带宽高、抗干扰能力强。它可应用于各种工业应用，例如带直流电机的静态转换器、交流变速驱动器和伺服电机驱动器、电池电源、不间断电源和焊接应用电源。图4.6LV25-P电压型霍尔传感器控制电路控制电路采用基于STM32单片机的核心板，其型号为STM32F103C8T6，核心板的PCB电路图如图4.7所示，其内部有一个自带的电压转换模块，可将5V变为3.3V，因此，可以采用3.3V对核心板供电，也可以直接输入5V来进行供电，本文采用的供电电压为5V。它共有40个引脚，其中包括一个5V供电引脚，两个3.3V供电引脚，可以选择5V或者3.3V，但不能同时将5V和3.3V输入到相应的供电引脚上。3个GND引脚，一个复位引脚R，一个后备电源VB引脚，32个I/O引脚。图4.7STM32F103C8T6PCB电路图图4.8STM32F103C8T6核心板原理图STM32F103C8T6核心板的电路原理图如图4.8所示。内核采用32位ARMCortex-M3CPU，工作频率最高可达72MHz，访问0等待周期时存储器可达1.25DMips/MHz。存储器包括64K或128K字节的闪存型程序存储器和高达20K字节的SRAM。STM32F103C8T6的功耗非常低，有三种不同工作模式。拥有一个可为RTC和备份寄存器进行临时供电的专用电源VBAT，两个高精度12位AD转换器，仅用短短1μs就可实现AD转换。具备7个不同功能的定时器，其中包括3个16位定时器，每个定时器具有多达4个通道，可作为PWM信号的输入端；1个16位且带死区的高级PWM控制定时器，可满足电机控制所需的各种功能；两个watchdog定时器电路和一个定时器系统本身自带的24位自递减型计数器。驱动电路驱动电路的原理图如图4.9所示，E1是驱动芯片，选用1EDC20H12AH驱动芯片，其内部构成示意图如图4.10所示。图4.9驱动电路原理图图4.101EDC20H12AH内部原理示意图驱动芯片1EDC20H12AH广泛适用于600V/650V/1200V的IGBT、MOSFET和碳化硅MOSFET，输出的典型峰值电流高达10A，有独立的信号源，是一种电流隔离无芯型变压器驱动器，输入电压工作范围比较宽，并且适合在高环境温度下运行。其绝缘测试电压为，可持续1秒。其应用场景为高压DC/DC转换器和DC/AC逆变器、感应加热共振应用、交流电机和无刷直流电机驱动、不间断电源系统、焊接和太阳能等等。图中R12为开通电阻，其阻值为10Ω，R11为关断电阻，其值为3.3Ω，在VCC2为隔离15V输入，GND2为连接地线时，根据器件手册提供的高低电平阈值曲线，则VCC1为3.3V输入，GND1为模拟地时，stm32输入驱动芯片的信号PWM1值大于2.31V时就表示高电平，小于0.99V时就表示低电平，可进行有效的PWM控制。P13-P17为测试点，用2P的插针来实现，其目的在于方便测试驱动信号是否有效输出，驱动芯片是否正常工作。Dirver1端为驱动信号的输出端，它连接牛角座的相应位置，从而可以通过排线将产生的驱动信号输入到功率板上SiCMOSFET的栅极从而实现对开关器件的直接控制。电源电路电源电路的原理图如图4.11所示，稳压芯片采用LD3，线性稳压器型号为AMS1117，其实物图如图4.12所示。AMS1117的输出电流最高可达到1A，有1.2V、3.3V、5.0V等多种版本，输出电压可调，输出电流为1A时，压降仅为1.2V。性能好，成本低，适用于各种电器。同时它还具有限制流入稳压器电流的功能和工作环境过热自动保护的功能。1.2V版本的输出电压精度仅为2%、3.3V、5.0V版本的输出电压精度更高，一般为1.5%，可正常稳定工作的温度范围应在-40°C~+125°C之间。本文选用3.3V版本来给变换器提供3.3V的直流电，供驱动芯片使用。因此本设计中的AMS1117功能为将输入的5V直流电转化为3.3V的直流电并输出给变换器的其他电路。其共有4个引脚，其中4引脚不具备任何功能因此不必连接，1引脚为GND端，2引脚为输出电压端，3引脚为输入电压端。图4.11电源电路图4.12AMS1117线性稳压器LM2为稳压模块，其型号为LM2596，其实物图如图4.13所示，为一种单片集成电路，具备很好的稳压能力，并且集成度很高，整个模块仅有17mm*22.4mm大小，可为各类电子电路提供稳定的直流电压，可输出不超过3A的电路来为负载提供电能。不仅可调节输出电压版本，还有3.3V、5V、12V等多种可输出固定电压的版本。LM2596需要极少的外部电子元件，方便使用，并且还具备振荡器，可提供稳定且固定的工作频率。其稳定工作的最高开关频率可达50kHz，故相较于那些低频率的电源模块，可以将滤波器元件设计成更小的尺寸。在某个固定的输入电压和负载条件下，输出电压可允许的误差最大也仅为4%，振荡器的频率容差一般为15%。同时其本身还具有自保护特性，包括降低电流限制和故障条件下的过温关机保护。本设计选用5V固定输出版本，如图4.9中所示，其输入电压为15V，由外部的开关电源提供，输出电压为5V，来给电路中的其他芯片提供5V直流电。图4.13LM2596可调稳压模块图4.14ISE1515A隔离电源芯片为了避免驱动芯片E1的VCC2电压输入与电路中的其他+15V电压侧互相干扰，本设计选用隔离电源芯片来将产生隔离的+15V直流电压，如图4.9中所示，U3为隔离电源，其型号为ISE1515A，其实物图如图4.14所示，该型号采用单输出，贴片封装，工作温度在-40℃至+105℃之间，最大可实现1500V直流隔离。ISE1515A共有5个引脚，其中8引脚不具备任何功能，因此不必连接，1引脚为-Vin输入端，这里将其连接到GND，2引脚为+Vin输入端，连接+15V的直流电压，4引脚为0V输出端，5引脚为+Vout输出端，将E1的VCC2端连接U3的5引脚，GND2端连接4引脚即可满足E1的供电需求。硬件电路测试根据4.1节中的设计原则，将其制作为相应实际电路，其中驱控电路的实物图如图4.15所示，接线端子连接一个220V交流转±15V直流的开关电源，来给整个Buck变换器的控制器，驱动芯片，传感器等提供电能。利用信号发生器，将一个脉宽为50%，幅值为3.3V，频率为10kHz的方波信号输入到STM32核心板对应的PWM端，来作为驱动芯片的信号输入，牛角座对应的驱动信号输出端信号如图4.16所示，可以看到，驱动电路将输入的3.3V开通控制信号变为15V的开通驱动信号，0V的关断信号依旧是0V，说明驱动电路设计正确。（a）驱控电路正面图（b）驱控电路反面图图4.15驱动及控制电路实物图图4.16驱动信号输出端波形图功率及采样电路的实物图如图4.17所示，为测试采样电路是否工作正常，将一个0-30V输出电压可调的直流稳压电源接到电压霍尔传感器LV的电压输入端，不断改变稳压电源输出电压的值，对应的传感器输出端电压信号取值如图4.18所示。可以看到两者呈现相当好的线性关系，其对应关系如式4-1所示。（a）功率电路正面图（b）功率电路反面图图4.17功率及采样电路的实物图（4-1）其中，VO为实际输入LV的电压，VM为LV测量端输出的电压。图4.18实测电压与传感器输出信号关系图混沌控制验证为了对输出电压进行更快速、精确的控制，采用增量型PID控制，与传统的位置式PID控制的经典算法不同，增量式数字PID控制算法有如下优点:1)位置算法输出的每一个状态都需要与整体的历史状态进行联系，求解公式中需要用到历史偏差的累计值，而累计计算时会产生很大的误差。增量算法中去除了位置算法中的积分项，因此可以从数字控制器中略去积分饱和，即便计算精度不够，计算误差对控制量的影响也比较小，从而容易获得良好的闭环控制效果。2)为实现从手动计算到自动计算的无障碍切换，在切换发生改变的瞬间，首先需要做的是将计算机的输出值预设为原始的开阀值uo。这种增量计算的公式只与本次的偏移值有关，而与原来的历史开阈值无关，所以输出对应的是阀门位置发生变化的部分，这样就不难实现从手动到自动的无障碍切换。3)增量式算法中所用的执行器都应该具备自我保持功能，即使计算机出现某些不可预测的故障，它可以保持在原位，而不会对生产造成负面影响。但是，增量算法具有不小的积分截断效应、静态误差和比较恶劣的溢出效应。在实际应用中，应根据控制对象的实际情况进行选择。一般来说，当控制系统需要更高的控制精度或执行器为晶闸管或伺服电机时，建议使用位置算法，当控制对象为步进电机或多圈电位器时，常常使用增量算法。由增量式的数字PID控制算法也可同时推导得到位置式控制算法的数学递推算式，即：（4-2）将驱控板与功率板用排线连接起来，功率板输入端连接直流可调稳压源，输出端连接10欧姆的电阻作