吳旭東

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

0 引言

Buck變換器應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，常用于航空航天的動力裝置、電動汽車燃料電池、電子設(shè)備的充電裝置、變電站蓄電瓶等各種電源管理系統(tǒng)。尤其是在需要單向升降壓且能量可以雙向流動的場合，很有應(yīng)用價值，如應(yīng)用于混合動力電動汽車時，輔以三相可控全橋電路，可以實現(xiàn)蓄電池的快速充放電[1]。 傳統(tǒng)的Buck變換器存在輸入、輸出的電流脈動，對輸入端電源產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致輸出端電壓紋波較大，輕則影響變換器的穩(wěn)壓效果，重則會燒毀低壓電源[2]。

1 Buck變換器設(shè)計與控制

1.1 設(shè)計方案

圖1為待設(shè)計的Buck變換器的控制原理圖，主要包括：Buck變換器主電路、驅(qū)動電路、控制電路等組成，其中控制電路由SG3525芯片組成產(chǎn)生PWM控制信號，控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。設(shè)計以IR2110為主芯片的驅(qū)動電路對MOSFET進行驅(qū)動，并為該電路提供直流穩(wěn)壓電源以驅(qū)動芯片的正常工作。

圖1 控制原理框圖

1.2 Buck變換器的電路設(shè)計

針對Buck變換器的主電路的設(shè)計主要是對其參數(shù)進行設(shè)計。Buck主要參數(shù)包括占空比D、濾波電感的參數(shù)L、濾波電容的參數(shù)。

圖2 電路圖

(1)占空比D

以Buck電路為主拓?fù)涞拈_關(guān)電源為例，其電路參數(shù)為：輸入電壓48V，輸出電壓24V，輸出功率為150W。可得本次設(shè)計占空比D為[3]：

(1)

(2)

式中：ton為開關(guān)開通時間，ts為開關(guān)周期。

(2)濾波電感量的計算

所設(shè)計電路負(fù)載較小時，若電路中的電流連續(xù)沒有出現(xiàn)斷續(xù)的情況，減小占空比的值以得到理想的輸出電壓。為了得到良好的輸出電壓波形，降低輸出電壓紋波，采取電流連續(xù)模式。

當(dāng)開關(guān)管VT閉合時，根據(jù)電流連續(xù)模式工作模態(tài)可知[4]：

(3)

檢測模塊由主控芯片、傳感器、CC1101無線射頻模塊組成。主控芯片統(tǒng)一采用STM32F103C8T6，溫濕度傳感器采用DHT11，單總線DATA引腳外接上拉電阻與主控芯片I/O口連接。光照度傳感器采用BH1750，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)化器，與主控芯片采用IIC總線協(xié)議通信。CO2傳感器采用MH-Z19，與主控芯片采用串口通信。土壤溫濕度傳感器采用SHT10，與主控芯片采用IIC總線協(xié)議通信[10]。

當(dāng)開關(guān)管VT斷開時，根據(jù)電流連續(xù)模式工作模態(tài)有：

(4)

綜上所述，電感電流連續(xù)時的波形如圖3所示：

圖3 電感電流連續(xù)時波形

其中，平均電流Io=P/Uo=150/24=6.25(A)，工程上，正常取電流波動量20%～30%，在這里取電流的波動量20%，得出紋波電流ΔiL=6.25*20%=1.25(A)。

當(dāng)電感電流處于臨界狀態(tài)時[5]：

(5)

整理可得：

(6)

Buck電路中，當(dāng)電感取值過小時，對電流平波作用過于弱，可能使得電感電流斷續(xù)，因此，為了保證電感電流連續(xù)，電感L應(yīng)大于電感電流臨界狀態(tài)時的電感?？傻茫?/p>

(7)

即：實際電感取兩倍裕量后L=0.96mH。

(3)濾波電容量的計算

(8)

Buck電路中，電容充電電荷為：

ΔQ=CΔU

(9)

從能量的角度看，電感在平均電流之上的部分，也就是電感給電容充電的部分，所以有：

ΔS=ΔQ

(10)

三式推導(dǎo)可得：

(11)

根據(jù)上述推導(dǎo)的電容公式(11)可得C=32.55μF，又因為實際中最接近的電容檔位為47μF，故電容取

C=47μF

根據(jù)Buck變換器的參數(shù)計算結(jié)果，可以設(shè)計出Buck變換器的Simulink仿真模型如圖4所示：

圖4 Buck變換器在MATLAB中仿真模型圖

1.3 雙閉環(huán)控制器的設(shè)計

圖5 雙閉環(huán)控制框圖

由于Buck電路的輸出電壓會隨著負(fù)載的變化而改變，為了穩(wěn)定輸出電壓，本文采用雙閉環(huán)控制，即為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。通過采集到負(fù)載電壓UFB與參考電壓Uref經(jīng)過誤差放大器得到電壓ue，再經(jīng)過調(diào)節(jié)器得到參考電流iref并與主電路中經(jīng)霍爾電流檢測的電流值iFB進行比較，最終實現(xiàn)脈寬調(diào)制。設(shè)計的閉環(huán)控制框圖為圖5。

包括輸入濾波模塊、Buck變換器主電路模塊、反饋電路模塊、UC2842控制電路模塊以及IR2110驅(qū)動電路構(gòu)成。其中為了達(dá)到輸出的穩(wěn)定,輸出端采用了電壓反饋電路。這個反饋電路主要使用了TL431和PC817組成了外部誤差電壓放大器。就是對輸出電壓進行采樣把電壓輸出的信號反饋給控制芯片UC2842然后自動調(diào)節(jié)脈寬達(dá)到穩(wěn)定。這樣使用的優(yōu)點在于實現(xiàn)了電氣隔離最大限度的減少干擾提高穩(wěn)定性。

1.4 驅(qū)動電路與隔離電路的設(shè)計

采用IR2110芯片將控制電路的信號(PWM)進行放大從而對Mosfet管進行驅(qū)動，驅(qū)動電路原理圖如圖6所示：

圖6 驅(qū)動電路原理圖

由于芯片的供電電壓為5V，為了使芯片正常工作，采用7805將15V電壓穩(wěn)壓為5V對IR2110進行供電，穩(wěn)壓電路原理圖如圖7所示：

圖7 穩(wěn)壓電路原理圖

為了將PWM信號和電路進行電氣隔離，采用6N137對驅(qū)動電路進行光耦隔離，光耦隔離電路原理圖如圖8所示：

圖8 光耦隔離電路原理圖

2 實驗驗證

2.1 仿真驗證

根據(jù)圖4所示，設(shè)置仿真所用的參數(shù)如下：

使用參數(shù)對Matlab仿真模型進行調(diào)試，調(diào)試所得運行結(jié)果如下圖所示：

圖9 仿真結(jié)果

由圖9(a)可知，輸出電壓最后穩(wěn)定在24V左右，其紋波電壓ΔU=0.07V，在允許的誤差范圍之內(nèi)，紋波電壓也滿足設(shè)計要求；由圖9(b)可知，電感電流為連續(xù)的，其中紋波電流，ΔiL=6.8-5.6=1.2A符合設(shè)計的要求。

2.2 通電測試

將輸入電壓設(shè)置為48V、占空比0.5時，對電路進行實驗，得到的結(jié)果如圖10所示：

圖10 通電測試結(jié)果

當(dāng)輸入電壓為48V時，其占空比為0.5，從示波器圖形上由上至下依次顯示結(jié)果為PWM波形、輸入電壓波形、輸出電壓波形、電感電流波形，可以得出輸出電壓最終穩(wěn)定在24V，紋波電壓80mV，達(dá)到高穩(wěn)壓、低紋波性能。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的Buck變換器穩(wěn)壓差、紋波幅度大的缺點，設(shè)計此款具有雙閉環(huán)控制器的Buck電路，建立了Matlab仿真模型，并從理論與實驗中驗證了該變換器具有高穩(wěn)壓、低紋波的性能，符合設(shè)計的要求。