劉 釗,楊進(jìn)華
(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,長春 130022)
設(shè)計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8V DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。
調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài),供電系統(tǒng)的直流輸出電壓U0=8.0±0.4V。額定輸出功率工作狀態(tài)下,供電系統(tǒng)的效率不低于60%。
設(shè)計思路:如圖1所示,設(shè)計分為硬件部分和軟件部分。硬件部分采用TL494產(chǎn)生PWM,來控制Buck電路的場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能,經(jīng)過反饋,從而控制輸出電壓。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,R3為負(fù)載電阻,R1和R2構(gòu)成串聯(lián)分壓取樣,將取得的電壓反饋回來通過單片機(jī)的AD進(jìn)行采集從而構(gòu)成閉環(huán)控制。軟件部分通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM低通濾波后給模塊提供控制電壓,從而對硬件進(jìn)行控制。
圖1 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2 BUCK電路結(jié)構(gòu)框圖
TL494輸出PWM端后級接上一個小的推挽輸出電路,然后再連上MOSFET管的柵極。如圖2所示,后級使用了典型的BUCK電路,降壓效率高,控制方便。
采用電流檢測芯片MAX472來實(shí)現(xiàn)高精度電流采樣。單片機(jī)輸出PWM低通濾波后輸出,成本低,控制快,線性度底,容易控制。大功率肖特基二極管MBR10200。MBR10200最大整流電流為10A,最大反向電壓為200V,價格便宜,反向恢復(fù)速度快,噪聲低。用Nokia5110液晶顯示屏顯示參數(shù)。Nokia5110液晶顯示屏能顯示測試參數(shù),屏幕小巧,省電,顯示中文字時需要自己提取字模。
TL494是一種恒頻脈寬的調(diào)制控制器,推挽/單端輸出,工作頻率為1~300kHz,輸出電壓可達(dá)10V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn),振蕩器可外同步,死區(qū)時間可以調(diào)整,輸出級的拉灌電流可達(dá)200mA。
TL494產(chǎn)生的PWM后經(jīng)過一對互補(bǔ)配對的三極管推挽輸出后進(jìn)入Buck電路。當(dāng)PWM控制場效應(yīng)管打開時,24V電源給電感L1和電容C3充電,同時也給后面的電路供電;當(dāng)PWM控制場效應(yīng)管關(guān)閉時,L1和C3放電來維持后面電路的供電,按照這個過程循環(huán)下去,得到的是一個可以控制的直流信號。本系統(tǒng)采用的是電感電流連續(xù)模式。Buck電路又稱為降壓變換器電路,如圖3所示。
圖3 Buck電路
Buck電路分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流不連續(xù)工作模式。
連續(xù)工作模式:當(dāng)開關(guān)管打開時,這時等效電路圖如圖4(a)所示,電感電流iL=iS≠0流過電感線圈L,在電感未飽和前,電感處于充電狀態(tài),電流線性增加。流過負(fù)載R的電流為I0,兩端輸出電壓為V0,極性為上正下負(fù)。當(dāng)iL>I0時,電容在充電狀態(tài)。這時二極管D1在承受反向電壓。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時,這時等效電路圖如圖4(b)所示,iS=0,由楞次定律可知電感線圈L將改變線圈兩端的極性,以保持iL的不變。這時負(fù)載R的極性仍是上正下負(fù),電感在放電狀態(tài)。當(dāng)iL<I0時,電容處于放電狀態(tài),以維持I0、V0不變。這時二極管承受正向偏壓構(gòu)成通路,故稱該二極管為續(xù)流二極管。等到下一個周期到來時開關(guān)管打開,電感又開始充電。由于該電路輸出電壓V0小于電源電壓VS,所以稱它為降壓變換器。
圖4 等效電路圖
不連續(xù)工作模式:當(dāng)開關(guān)管打開時,這時電感電流iL=iS=0流過電感線圈L,在電感未飽和前,電感處于充電狀態(tài),電流線性增加。流過負(fù)載R的電流為I0,兩端輸出電壓為V0,極性為上正下負(fù)。當(dāng)iL>I0時,電容在充電狀態(tài)。這時二極管D1在承受反向電壓。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時,這時iS=0,電感線圈L改變線圈兩端的極性,以保持iL的不變。這時負(fù)載R的極性仍是上正下負(fù),電感在放電狀態(tài)。當(dāng)iL<I0時,電容處于放電狀態(tài),以維持I0、V0不變。這時二極管承受正向偏壓構(gòu)成通路。等到下一個周期到來時開關(guān)管打開,電感又開始充電。波形如圖5所示。
通過分析發(fā)現(xiàn),可以在保持輸出電壓不變的情況下,通過改變負(fù)載電阻的方式,來調(diào)節(jié)輸出電流總和及輸出電流I1、I2的比例,或者通過設(shè)定I1、I2的比例,然后通過調(diào)節(jié)電阻來調(diào)節(jié)輸出的電流值,因此,需采用兩種不同的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。除負(fù)載電阻由手動設(shè)定電流比例外,其余部分不允許手動干預(yù),所以本方案采取通過設(shè)置外部中斷,由旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)調(diào)節(jié)I1、I2的比例因數(shù)時觸發(fā)中斷,在中斷之中切換模式。
軟件流程圖如圖6所示。
圖5 Buck電路兩種工作模式波形圖
圖6 軟件流程圖
系統(tǒng)測試主要儀器有數(shù)字式萬用表DT9205,以及一個5位半的高精度電壓表和一個10毫歐的精密電阻。
首先利用10毫歐的精密電阻作為采樣電阻,用于采集干路和支路的電流,用5位半的高精度電壓表就能測出很高精度的電流。本電路使用這種高精度的測量方法用于校準(zhǔn)輸出電流與控制輸出的關(guān)系,從而達(dá)到高精度的輸出。
通過測試,達(dá)到的指標(biāo)和完成的功能如表1所示。
表1 完成的功能和達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)
(1)本系統(tǒng)中的DC/DC模塊具有較高的效率,額定負(fù)載時為82.5%;
(2)采用了單片機(jī)STM32產(chǎn)生PWM來提供基準(zhǔn)電壓,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可控性;
(3)采用由外部硬件采集電流,由軟件來判斷實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。
[1] 曲學(xué)基,曲敬鎧,于明揚(yáng).逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
[2] 周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)海華.開關(guān)電源使用技術(shù)-設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2007.
[3] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[4] 裴云慶.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計和應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.
[5] 張興柱.開關(guān)電源功率變換器拓?fù)渑c設(shè)計[M].北京:中國電力出版社,2010.