王慧鋒 張飛龍 任新杰

1. 廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528333；2. 南京航空航天大學(xué) 江蘇南京 211100

1 引言

在微型控制器系統(tǒng)中，輸入的直流電壓范圍在35V～65V之間，后級(jí)的有源器件供電一般是12V左右。目前微型電控的開關(guān)電源一般是基IC的集成方案，但待機(jī)時(shí)也處于工作狀態(tài)、且內(nèi)部DC/DC斬波效率較低，熱損耗大，成本也比較高。本文提出一種電壓、電流雙閉環(huán)的分立器件開關(guān)電源方案。ON/OFF器件采用Rds較低的NMOS，利用主控芯片的外設(shè)PWM資源，實(shí)現(xiàn)脈寬控制能量的輸出。解決了輸出電壓穩(wěn)定性、帶載能力、無需額外的散熱設(shè)計(jì)成本，在微型電控領(lǐng)域具有較大的成本、可靠性優(yōu)勢(shì)。

2 Buck電路基本原理及控制策略

Buck電路，又稱降壓電路，主要特征是輸出電壓低于輸入電壓，由于其處于高頻開關(guān)工作狀態(tài)，故具有效率高，體積小等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 基本原理

如圖1所示為基本的Buck降壓電路，主要構(gòu)成單元為：輸入端電容C1，開關(guān)管T1，續(xù)流二極管D1，濾波電感L1，輸出端濾波電容C2。

當(dāng)開關(guān)管T1導(dǎo)通時(shí)，電感L1儲(chǔ)能，電感電上升，可得：

當(dāng)開關(guān)管T1關(guān)斷時(shí)，電感L1釋放能量，通過二極管續(xù)流，電感電流下降，可得：

通過聯(lián)立公式（1）、（2）可得：

其中：D為占空比，T為開關(guān)周期，Δi為電流變化量，Uin為輸入電壓，Uo為輸出電壓。

由于電感電流時(shí)脈動(dòng)的，在其直流分量中含有諧波，輸出脈動(dòng)較大，為了維持輸出電壓的穩(wěn)定，在輸出端并聯(lián)濾波電容，輸出端形成LC濾波電路，來減少輸出電壓的脈動(dòng)。

2.2 控制策略

此變換器控制方式有多種，可分為電壓控制即電壓單閉環(huán)控制，電流控制即電壓電流雙閉環(huán)控制[1-2]。

電壓控制主要指輸出電壓的反饋控制，電流控制主要指雙閉環(huán)控制，采樣輸出端的電壓得到反饋信號(hào)，與給定的電壓形成閉環(huán)，采樣電感電流得到電流反饋信號(hào)，與給定的電流形成電流內(nèi)環(huán)控制，對(duì)電壓控制的不足進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行直接控制，提了內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度，在抗干擾方面也得到提升，這樣加入電流內(nèi)環(huán)抑制了電流的變化，減小電流變化的干擾。

本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

為使輸出端電壓穩(wěn)定，電壓脈動(dòng)滿足系統(tǒng)要求[3]，針對(duì)Buck電路的連續(xù)工作狀態(tài)對(duì)其基本器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括濾波電感L1，輸出濾波電容C2。

當(dāng)Buck電路電感電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算所得的電感值為最小電感值，為了保證電流處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電感取值應(yīng)大于這個(gè)臨界電感值。

占空比的計(jì)算：

表1 Buck主要技術(shù)參數(shù)

圖1 Buck電路

峰值電流和紋波電流的計(jì)算：

電感值的計(jì)算：

輸出電容的計(jì)算：

Co根據(jù)成本、體積、輸出電壓紋波值來選擇。

在IL大于Io時(shí)，電容充電，UC上升，UESR隨IL變化；在IL小于Io時(shí)，電容放電。電容一周期電流平均值為0。

在0～0.5T時(shí)間內(nèi)，電容上電阻電壓的紋波為：

在0～0.5T時(shí)間內(nèi)，電容充放電的電壓變化為：

電容上的總的電壓紋波為：

其中UESR*Co=50～80*0.000001。取50*0.000001帶入式中得到：Co=106uF。實(shí)際中取100uF。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)基本原理和控制策略，我們?cè)赟imulink中建立了相應(yīng)的控制系統(tǒng)[4-5]。

結(jié)果分析：從圖3的（1）（3）的仿真、實(shí)際測(cè)試對(duì)比分析可以看出，在額定輸出電流0.5A的情況下，輸出電壓可以維持在12V，電壓脈動(dòng)為0.02V左右；電壓控制精度在1%以內(nèi)。在啟動(dòng)過程中無超調(diào)產(chǎn)生，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.001秒。圖3的（2）（4）表示為寬輸入電壓情況下的輸出電壓波形，初始為35V，然后切換到65V，輸出電壓仍然保持在12V。帶載能力強(qiáng)、可靠性高、輸入電壓范圍寬等特性，且分立方案成本也相對(duì)較低。

圖2 電壓電流雙閉環(huán)控制

圖3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源方案主要應(yīng)用在微型電控領(lǐng)域，在額定負(fù)載、重大負(fù)載波動(dòng)情況下，12V的輸出電壓波動(dòng)在1%以內(nèi)；啟動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間在1ms左右；同時(shí)寬輸入電壓范圍下35V～60V時(shí)，12V的輸出電壓誤差為0.05V，故該方案具有