江蘇科技大學(xué) 俞宏洋 秦懷宇

引言

數(shù)字電源由于早期成本較高，往往用于航天等高端領(lǐng)域。隨著近年來(lái)MCU性價(jià)比不斷提升，光伏微電網(wǎng)和全電汽車(chē)等新興行業(yè)的發(fā)展，數(shù)字電源得到了較多關(guān)注。針對(duì)市面上供開(kāi)發(fā)的數(shù)字電源產(chǎn)品不多，本文闡述了一種具體的硬件設(shè)計(jì)方案，具有參考意義。

1.數(shù)字電源簡(jiǎn)介

數(shù)字電源的定義主要分為兩種：一種將具有數(shù)字式通信、監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、保護(hù)等功能的電源產(chǎn)品成為數(shù)字電源，另一種將使用DSP、MCU、FPGA等可編程器件的、在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行電源反饋控制的產(chǎn)品成為數(shù)字電源。前者從電源基本拓?fù)渖蟻?lái)看仍然是模擬控制的，而后者更符合“數(shù)字控制”的定義，而。圖1和圖2顯示了數(shù)字電源與模擬電源結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。

圖1 模擬電源

圖2 數(shù)字電源

數(shù)字電源相比于模擬電源，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[3]：

1.1 電路簡(jiǎn)化。一方面模擬電源控制器的電壓、頻率等參數(shù)需要外接阻容元件來(lái)確定，環(huán)路補(bǔ)償也使用阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，修改電路參數(shù)較為麻煩。而數(shù)字電源的調(diào)整和補(bǔ)償使用數(shù)字方式。另一方面一些復(fù)雜控制或高級(jí)拓?fù)涫褂密浖刂聘菀讓?shí)現(xiàn)。

1.2 成本低。數(shù)字控制器芯片價(jià)格較高一直是阻礙其推廣的重要原因。但近年來(lái)有一些結(jié)合DSP和MCU特點(diǎn)的、專(zhuān)用于數(shù)字控制領(lǐng)域的MCU，其價(jià)格遠(yuǎn)低于DSP，并且有高分辨率定時(shí)器（HRTIM）、高速ADC等高速高精度數(shù)字控制所需外設(shè)。如STM32F334系列，還擁有可編程放大器（PGA）和比較器等普通MCU沒(méi)有的外設(shè)資源，更進(jìn)一步節(jié)省了成本。

1.3 適應(yīng)性強(qiáng)。若用戶對(duì)電源的輸入輸出指標(biāo)、響應(yīng)速度、保護(hù)控制等功能提出不同要求時(shí)，模擬電源幾乎需要重新設(shè)計(jì)，而經(jīng)過(guò)完善的外圍設(shè)計(jì)的數(shù)字電源只需要通過(guò)改動(dòng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文以BUCK拓?fù)錇槔O(shè)計(jì)了一款實(shí)用的數(shù)字電源。采用ST公司的STM32F334系列MCU，此產(chǎn)品目標(biāo)市場(chǎng)是需要高精度計(jì)時(shí)的數(shù)字信號(hào)，尤其是數(shù)字功率變換的應(yīng)用。電源參數(shù)為：開(kāi)關(guān)頻率250KHz，輸入12-50V，輸出0-48v，最大功率240W，最大輸出電流5A，最高效率96%，電壓電流控制精度1%，過(guò)流過(guò)壓保護(hù)由軟件實(shí)現(xiàn)。

2.數(shù)字電源的硬件組成（見(jiàn)圖3）

2.1 同步BUCK電路

功率電路采用同步BUCK拓?fù)湫问?。同步BUCK拓?fù)涫褂肗MOSEFT替代普通BUCK拓?fù)渲械睦m(xù)流二極管，可以降低大電流時(shí)的功率損耗。使Q3、Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主開(kāi)關(guān)Q1、Q2驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)即可仿真BUCK電路中二極管的續(xù)流功能。功率N-MOSFET使用四個(gè)英飛凌公司的BSC052N08NS5，屬于英飛凌第五代OptiMOS系列，它在參數(shù)上專(zhuān)門(mén)為開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化，同一耐壓值有眾多型號(hào)供選擇，可以根據(jù)不同功率和開(kāi)關(guān)速度的場(chǎng)合，在通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間找到最優(yōu)的器件。選用的BSC052N08NS5耐壓為80V，導(dǎo)通電阻Rds(on)=5.2mΩ，柵極電荷Qg=40nC。上下橋臂都并聯(lián)2個(gè)相同的MOS管，以增大功率，降低發(fā)熱。電路原理圖如圖4所示，其中HO為上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，LO為下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，HS為橋臂中點(diǎn)。電感采用22uH的扁平銅線電感。輸出側(cè)使用大電解電容+小MLCC電容的濾波方式，目的是減小ESR。具體的電容電感和輸出紋波的計(jì)算公式可于大量文獻(xiàn)中獲取，本文不作提及。

圖3 數(shù)字電源模塊圖

圖4 同步BUCK電路原理圖

2.2 驅(qū)動(dòng)和信號(hào)調(diào)理電路

由于MOS管柵源、柵漏之間存在寄生電容Cgs和Cgd，在高頻開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)電容充電需要驅(qū)動(dòng)器能提供較大的瞬間電流，但由于MOS管具有米勒效應(yīng)，使用電容計(jì)算較為復(fù)雜，工程上開(kāi)關(guān)瞬間所需的驅(qū)動(dòng)電流I由以下公式近似：

另一方面，上管Q1在驅(qū)動(dòng)時(shí)的參考地為下管Q2的漏極，需要使用能夠浮地驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOS的芯片。選用凌力爾特公司半橋驅(qū)動(dòng)芯片LTC4444，其下橋臂驅(qū)動(dòng)能力達(dá)3A，上橋臂驅(qū)動(dòng)能力達(dá)2.2A，耐壓114V，足以很好驅(qū)動(dòng)所選的MOS管。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

電源的閉環(huán)控制依賴(lài)于電壓電流信號(hào)的采集。電壓信號(hào)一般可以經(jīng)過(guò)30kΩ：1kΩ的電阻分壓直接輸入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但ADC輸阻抗為數(shù)十千歐級(jí)別，直接采集會(huì)帶來(lái)一定的誤差和穩(wěn)定性問(wèn)題，而STM32F334內(nèi)置了PGA，利用運(yùn)放的高阻抗輸入可以避免這個(gè)問(wèn)題。為保證精度，分壓電阻R2、R3均選用精度為0.1%，溫度系數(shù)為20ppm/°C的金屬膜電阻。分壓后并聯(lián)一個(gè)10nF的小電容作低通濾波用。

圖5 LTC4444驅(qū)動(dòng)電路

圖6 電壓和電流調(diào)理電路

電流采集通過(guò)測(cè)量電感輸出側(cè)串聯(lián)的小電阻壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)。為平衡精度和損耗，圖2中的檢流電阻R1采用阻值10mΩ、精度為0.5%、溫度系數(shù)為30ppm/°C的貼片合金電阻。采樣電阻位于高電壓側(cè)的好處是避免了低邊檢測(cè)帶來(lái)的輸出浮地問(wèn)題，但也會(huì)造成共模電壓太高測(cè)量不方便的缺點(diǎn)。采用TI的INA240A2電流感應(yīng)放大器，它是一種專(zhuān)門(mén)用于此種測(cè)量場(chǎng)合的固定增益差分放大器，擁有50倍固定增益，132dB的共模抑制比，80V的共模電壓范圍、0.2%的增益誤差和2.5ppm/°C的增益溫度系數(shù)。電壓和電流調(diào)理電路如圖6所示。

2.3 輔助電源電路

輔助電源需要將系統(tǒng)輸入電壓降為MCU和其他芯片適用的電壓。選用芯龍半導(dǎo)體的XL7005開(kāi)關(guān)降壓芯片將輸入降至10V供MOS驅(qū)動(dòng)芯片使用，該芯片輸入范圍5-65V，最大輸出電流0.5A。XL7005穩(wěn)壓10V后分別接LM1117和 REF3333產(chǎn)生通用+3.3V和高穩(wěn)定性、低漂移的的+A3.3V基準(zhǔn)電壓信號(hào)。其中+3.3V供MCU使用，+A3.3V供INA240和MCU的基準(zhǔn)電壓輸入引腳使用。REF3333產(chǎn)生3.3V基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，模擬地與公共地使用10uH電感隔離以降低干擾。

圖7 輔助電源電路

2.4 數(shù)字控制電路

STM32F334的引腳功能可于大量文獻(xiàn)中查閱，在此不做敘述。表1列出了數(shù)字電源控制部分需要引入MCU的引腳及對(duì)應(yīng)功能。

表1

3.數(shù)字電源的軟件控制

開(kāi)關(guān)電源控制模式可分為電壓模式控制和電流模式控制，而電流模式又分為峰值電流模式和平均電流模式。電壓模式控制優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)輸出響應(yīng)好，缺點(diǎn)是對(duì)輸入響應(yīng)慢、不具有過(guò)流保護(hù)功能、需要復(fù)雜的環(huán)路補(bǔ)償。峰值電流模式優(yōu)點(diǎn)是電壓調(diào)整率好、帶有過(guò)流保護(hù)功能，缺點(diǎn)是抗噪聲能力差、有振蕩問(wèn)題。平均電流模式結(jié)合了電壓模式和峰值電流模式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)輸入和輸出的響應(yīng)都較好，無(wú)須斜坡補(bǔ)償，并且抗噪聲能力好[4]。

本數(shù)字電源采用平均電流模式控制，其原理如圖8所示。電流和電壓信號(hào)均輸入運(yùn)放Amp_V和Amp_I的反相端。負(fù)載變化時(shí)電壓誤差放大器Amp_V做出反應(yīng)輸出滿擺幅，經(jīng)過(guò)Amp_I放大后，通過(guò)比較器COMP輸出暫時(shí)占空比D上升或下降的反應(yīng)以調(diào)整Vout大小。待Amp_I檢測(cè)的電感平均電流與Amp_V輸出相近時(shí)占空比D恢復(fù)穩(wěn)定。而輸入電壓變化可以直接反應(yīng)在Amp_I反相端的電壓上，使得電流環(huán)路可以很快做出響應(yīng)。實(shí)際上，誤差放大器需要相位補(bǔ)償以提高穩(wěn)定裕度，通常采用阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字電源使用數(shù)字PID調(diào)整器。文獻(xiàn)[4]對(duì)電流模式控制建立了數(shù)學(xué)模型并給出環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償電路的計(jì)算方法。而PID的優(yōu)點(diǎn)之一是無(wú)需對(duì)被控對(duì)象建立精確數(shù)學(xué)模型就可以很好的控制系統(tǒng)。數(shù)字電源可根據(jù)實(shí)際需求在線調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)，獲得理想的效果。

圖8 電流模式控制原理

數(shù)字電源是一種采樣控制系統(tǒng)，使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的程序結(jié)構(gòu)可以控制每個(gè)子程序的執(zhí)行時(shí)間，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。軟件上主要包括Main函數(shù)、ADC中斷、PID控制子程序。主程序完成ADC、PWM、HRTIM、PID等模塊的初始化，等待ADC中斷到來(lái)，檢測(cè)到中斷信號(hào)就執(zhí)行相應(yīng)流程[5]。程序流程圖如圖9所示。

程序中加入了過(guò)壓過(guò)流檢測(cè)環(huán)節(jié)，異常情況下數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)周期后就可以關(guān)閉MOS實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)（見(jiàn)圖9）。

圖9

圖10 典型效率曲線

4.測(cè)試總結(jié)

使用艾德克斯IT6302電源、IT8511A+電子負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。輸出固定12V。電流0.05-5A條件下，幾種典型電壓輸入的效率曲線如圖10所示。

可以看出該電源在負(fù)載電流達(dá)到1A以后效率表現(xiàn)較好，最高效率達(dá)到96%。幾種輸入下輕載情況下效率較低。分析原因有：（1）維持MCU等器件正常工作時(shí)需要消耗數(shù)十毫安的電流，而模擬電源芯片一般空載電流很小，因此在小功率場(chǎng)合使用數(shù)字電源沒(méi)有效率優(yōu)勢(shì)；（2）由于MOSFET的雙向?qū)ㄌ攸c(diǎn)，同步BUCK拓?fù)漭p載情況下會(huì)產(chǎn)生電感電流反向，造成額外的損耗，而異步BUCK使用二極管續(xù)流則不會(huì)產(chǎn)生這種情況。解決此方法可以通過(guò)電感電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷同步MOS管來(lái)提高效率，使用數(shù)字控制較模擬更為容易實(shí)現(xiàn)。

5.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的電源滿足了設(shè)計(jì)要求。通信、監(jiān)測(cè)、保護(hù)等功能也是數(shù)字電源的特點(diǎn)之一，受于篇幅本文未做提及。不難看出開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化建立在模擬電源控制理論基礎(chǔ)之上，一些高級(jí)的控制策略采用數(shù)字控制會(huì)比模擬電路設(shè)計(jì)更加容易實(shí)現(xiàn)，如文末提及的提高BUCK輕載效率的方法。學(xué)習(xí)BUCK拓?fù)涞臄?shù)字化控制有助于把數(shù)字電源應(yīng)于更加復(fù)雜的需求上。

[1]孔維成,李?lèi)?袁賽,楊海明．智能化數(shù)字電源的應(yīng)用與發(fā)展研究[J]．電子世界,2012(03)∶59-60．

[2]史永勝,余彬,王喜鋒,許夢(mèng)蕓,張青風(fēng),王文靜．基于DSP的高輕載效率數(shù)字DC/DC變換器[J]．電子器件,2015,38(02)∶338-342．

[3]惠子南．小功率數(shù)字電源的研究[D]．北京交通大學(xué),2014．

[4]劉范宏．平均電流控制模式開(kāi)關(guān)變換器建模分析與設(shè)計(jì)[D]．華中科技大學(xué),2014．

[5]申培．一款DSC控制的數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)[J]． 電子世界,2016(23)∶108-109．

[6]鄧榮,江國(guó)棟．基于單片機(jī)的數(shù)字電源設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息,2008(26)∶66-67+32．