龍本錦,張 靖,徐邦賢,何 宇,張 英
(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院,貴陽 550025)
STC8A系列單片機(jī)的價格[1]低于數(shù)字信號處理器[2],運行速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)更快,且內(nèi)部集成了ADC、PWM模塊,無需外部復(fù)位電路和晶振電路即可正常使用,因此能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)型數(shù)控電源的閉環(huán)控制,同時對開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻干擾[3]具有較強(qiáng)的抗干擾特性。STC8A以其優(yōu)良的抗干擾性強(qiáng),可實現(xiàn)較為復(fù)雜的、運算速度較快數(shù)學(xué)運算。15位的PWM可獲得較高的輸出電壓的步進(jìn)精度,且供電電壓范圍較寬,待機(jī)功耗較低,具有應(yīng)用于開發(fā)低成本數(shù)字電源的潛力。在此以Zeta型升降壓變換器為控制對象,采用STC8A8K64D4單片機(jī)作為變換器的數(shù)字控制主控芯片,搭配PI單環(huán)算法對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制,再通過實驗加以驗證。
Zeta型升降壓電源的設(shè)計以STC8A8K64D4作為主控,主要完成硬件電路和控制算法設(shè)計兩部分,包括:Zeta型升降壓電路、開關(guān)管驅(qū)動模塊、AD信號預(yù)處理模塊、輔助電源模塊、STC8A最小系統(tǒng)模塊、開關(guān)管過流保護(hù)電路等,共同實現(xiàn)對輸出電壓的控制功能??刂破骺傮w設(shè)計框圖如圖1所示。
圖1 Zeta型數(shù)控電源總體設(shè)計框圖
數(shù)控Zeta變換器主電路如圖2所示,它由輸入電感Lin、隔直電容Cb1、輸出電感Lout、輸出電容Cout1、Cout2,開關(guān)管Q1、Q2組成,具有輸入、輸出電壓同相位,可升降壓的特點。通過驅(qū)動模塊施加一組互補(bǔ)的PWM脈沖信號令Q1、Q2互補(bǔ)導(dǎo)通,使V_Sw處產(chǎn)生方波電壓,經(jīng)Lout、Cout1、Cout2濾波后輸出直流電壓供負(fù)荷使用。
圖2 數(shù)控Zeta變換器主電路
MOS管驅(qū)動電路如圖3所示。其中包括:由IR公司生產(chǎn)的驅(qū)動芯片IRS2004、充電(隔離)二極管D1、自舉電容C2,下拉電阻R1,阻尼電阻R2,鉗位二極管D2組成。
圖3 MOS管驅(qū)動模塊電路
輸入信號PWM_IN接至74HC245D的B0管腳接收來自MCU的PWM脈沖控制信號,經(jīng)內(nèi)部電平移動電路、低邊MOS管驅(qū)動增強(qiáng)電路,產(chǎn)生一組180°互補(bǔ)的驅(qū)動信號DRV_1和DRV_2,實現(xiàn)驅(qū)動MOS管Q1和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通。PWM_SD為MOS管驅(qū)動的閉鎖信號,低電平有效,與過流保護(hù)電路相連接,實現(xiàn)MOS管過流保護(hù)。
輸出電壓Vout的范圍在0~30 V之間,并含有一定量的開關(guān)紋波,需要通過信號預(yù)處理電路進(jìn)行信號縮放、濾波,才能送至MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。預(yù)處理電路如圖4所示。其中,R4、R7、C4組成一階濾波器對輸出電壓中的直流成分縮放至0~3 V,對高頻紋波進(jìn)行旁路,并由R5、R3、運放U2A對C4兩端電壓放大2倍,經(jīng)運放U2B進(jìn)行驅(qū)動放大2倍,再次由R6、C3組成的一階濾波電路送至MCU的P1.1引腳進(jìn)行采樣。
圖4 AD采樣預(yù)處理模塊電路
最小系統(tǒng)模塊如圖5所示,由STC8A單片機(jī)、ADC基準(zhǔn)芯片、電源濾波器件、串行下載接口組成。單片機(jī)的工作電壓范圍為2.7~5 V,內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器的精度為12位。
圖5 STC8A8K64D4最小系統(tǒng)模塊電路
此處所采用的工作頻率為40 MHz。設(shè)定PWM模塊的PWMC寄存器為2048,PWM的輸出頻率為20 kHz。為防止變換器向最小系統(tǒng)的電源輻射高頻干擾,通過在輔助供電模塊供電端與AVCC引腳之間插入π型濾波結(jié)構(gòu),以增強(qiáng)主控的抗干擾能力。圖5中ADC接口P1.1處采用開關(guān)型二級管D12、D13將輸入電壓限制在-0.6~5.5 V之間,防止AD預(yù)處理模塊輸出超過5.5 V電壓而燒毀單片機(jī)接口。
采用離散式PI單環(huán)控制算法[4-6]對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制,實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。控制算法通過PWM中斷進(jìn)行調(diào)用,每個PWM周期運行一次PI單環(huán)控制算法。離散系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示。VREF(2048)為欲設(shè)定的電壓值,反饋值為寄存器ADC_RES與ADC_RESL高二位組合的值;控制算法的輸出賦值到PWM0T1寄存器。當(dāng)PWM的計數(shù)值大于PWM0T1寄存器的值時,引腳P2.0輸出為低電平,反之,輸出為高電平。PWM中斷的觸發(fā)方式為歸零觸發(fā),ADC的采樣時刻設(shè)置為產(chǎn)生PWM中斷的時刻,PI參數(shù)采用試湊法[7-8]在線調(diào)節(jié)確定。
圖6 離散PI算法控制框圖
實驗樣機(jī)如圖7所示。采用一個型號為220 V/20 V的變壓器將市電轉(zhuǎn)換為20 V的交流電,經(jīng)濾波整流后輸出直流電壓為27 V,作為變換器的主電源,輸出端接一個10Ω的可變電阻器。
圖7 實驗樣機(jī)實物圖
輸出電壓隨負(fù)載變化的波形圖如圖8所示。輸出電壓調(diào)至11 V,輸出端負(fù)載突增時,電壓有所下降,但能夠在5 ms內(nèi)從振蕩恢復(fù)到穩(wěn)態(tài);負(fù)載突減時,能夠在10 ms以內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。STC8A8K64D4的這一運算速度,已能夠滿足數(shù)字電源的控制需求,也能夠在較短的周期內(nèi)完成PI控制算法,滿足Zeta型升降壓電源的閉環(huán)控制需求。
圖8 輸出電壓隨負(fù)載變化的波形圖
采用STC8A單片機(jī)控制的Zeta升降壓電路輸出電壓對負(fù)載的突變響應(yīng)速度較快,僅次于高端的DSP控制器。負(fù)載突變前后的穩(wěn)態(tài)誤差較小,控制系統(tǒng)的功耗較低、抗干擾性能較好,對主電路的轉(zhuǎn)換效率影響也較小,綜合所有優(yōu)點來看,STC8A系列單片機(jī)適合用于成本較低、具有中低功耗的數(shù)字電源控制器場合。