「SR兒童可調法」

實現一種數字可調的升壓型開關電源的設計方案

發布時間:2019-06-30 05:44 來源:北美安 編輯:admin

  由于普通二極管的反向恢復時間過長,而肖特基整流管無電荷儲存問題,可改善開關特性。其反向恢復時間縮短到10 11s以內。但其反向耐壓值較低,一般不超過100 V。因此肖特基二極管適用于低壓、大電流狀態下工作,并可利用其低壓降提高低壓、大電流整流(或續流)電路的效率。

  當鍵盤鍵入所需電壓U0,單片機內轉化為占空比DY=1一(Ui/U0)。累加器開始累加時輸出高電平,當DY達到計數值時變為低電平,最終可得精確頻率下占空比可調的PWM控制信號。

  設計過程中,設置紋波電流△iL=O.4 A,計算得到L數量級為l mH,實際調試后取電感為0.79 mH。[next]

  式中:KP、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數;e(k)為偏差;u(k)為所需控制信號的調整值。

  該系統設計選擇PI算法(PID算法的一種簡單形式),即令Kd為零,只考慮比例系數和積分系數。因此,系統穩壓控制的優劣取決于參數Kp、Ki。Kp 越大,系統反應越靈敏,但Kp偏大會導致輸出振蕩大,調節時間延長,所以應謹慎選擇。積分系數的運用可以消除系統的穩態誤差,提高系統的控制精度。PI算法流程如圖3所示。圖3中引入了積分分離式算法,減少積分校正對控制系統動態性能的影響。即在控制開始階段或電壓值大幅度變化時,取消積分校正;而當實際電壓值與設定值的誤差小于一定值時,恢復積分校正作用。積分分離式算法既保持積分作用,又減小超調量,改善控制系統的性能。經實驗確定,可實現穩壓功能。

  硬件電路部分的主要電路是Boost電路,它由功率開關管VT、儲能電感L、續流二極管VD和濾波電容C組成。開關管按一定頻率工作,轉換周期為T,導通時間為Ton,截止時間為Toff,占空比D=Ton/T。其工作原理為:當VT導通時,電感L儲能,VD反偏截止,負載由電容C提供電能;VT截止時,L兩端電壓極性相反,VD正偏,同時為負載和濾波電容C提供能量。

  輸出電壓經MAXl97 A/D采樣,送至控制模塊,通過PID算法計算調整下一次傳送的控制信號,形成反饋回路,實現寬電壓輸入,穩壓輸出的功能。

  由儲能電感L導通和截止期間,電流變化量相等可得,輸出電壓U0和輸入電壓U1之間關系為:

  在Boost轉換電路中,增加MOSFET和二極管緩沖吸收電路,減小過壓或過流引起的損耗。由于電源功率較小,則采用RC吸收電路。當過流、過壓產生時,電流通過電阻以熱能的形式將能量散發出去,降低對MOSFET的影響,減小其損耗,延長使用壽命。根據多次試驗,保護吸收電路的電阻應取kΩ級,電容取nF級。直流信號再經低通濾波器濾除紋波,驅動負載。[next]

  當開關管工作頻率取F=40 kHz時,設紋波電壓約為30~50 mV,則計算得到C數量級為1 000μF。實際調試后取電容為2 200μF。[next]

  根據理論計算,功率開關采用晶體管即可滿足要求,故系統采用IRF540型MOS管,其VDS=100 V,IDS=17 A。采用MOS管專用驅動器件IR2110完成驅動功能。IR2110是一款高低電平驅動器件,其邏輯輸入電壓只需3.3 V,輸出電壓最大可達20 V,驅動電流最大可達到2 A。其延遲時間為10ns,上升沿和下降沿時間分別為120 ns和94 11s。由于IR2110可同時驅動雙MOS管,因而系統只涉及一個MOS管,故只使用一路驅動即可。

  利用Boost電路實現了系統設計的升壓轉換,采用CPLD和單片機完成數字控制,軟件編程得到PWM信號,通過調整占空比實現輸出電壓數字調節。而運用PI算法則是本系統設計的亮點,完美實現了寬輸入,穩壓輸出。

  方案系統設計框圖如圖1所示,輸入為220 V,50 Hz交流電壓,經電壓變換,整流濾波后得到18 V的直流電壓,送入Boost電路,經濾波輸出直流。CPLD與單片機組成的數字控制模塊輸出脈寬調制信號(PWM),由按鍵控制改變PWM占空比,從而控制Boost電路的輸出電壓。該輸出電壓可在30~36 V范圍內步進調節,實現多路電壓輸出。最大輸出電流高達2 A。

  選擇CPLD和51系列單片機組合設定數字控制和輸出電壓步進。用單片機控制整個系統。軟件設計除設定初始電壓值,還包含PID算法程序,以及調整PWM占空比。可編程邏輯器件CPLD可直接生成PWM波控制開關管驅動器。

  降低的交流電壓經扁橋式整流電路整流為18 V直流,交流電壓經變壓器轉換,height=61 />系統硬件電路如圖2所示。其幅值按一定比例降低。

  PWM波的產生采用Verilog HDL硬件描述語言在CPLD中實現。信號頻率設定為40 kHz,采用DDS方式步進頻率可精確至1 Hz。使用QuartusⅡ自帶的工具生成PLL器件,將外界晶體振蕩器輸入的頻率倍頻至100 MHz。由DDS公式,可得:

  為通過反饋調節控制信號實現穩壓,系統軟件設計中加入了PID控制算法,即單片機中將給定電壓值與采樣反饋電壓值比較,利用偏差的比例、積分、微分線性組合調整PWM信號的占空比,進而達到穩壓。常用的PID算法形式為:

  Simulink是MATLAB提供的實現動態系統建模仿真的一個軟件包。采用powersystem庫模型,將系統設計的仿線所示。脈沖產生器產生固定頻率和占空比方波,控制MOS開關管。電流和電壓測量器將模擬的電流和電壓量化送至示波器。仿真中器件參數根據實際設計選取:輸入電壓為 18 V,開關管的控制脈沖(PWM波)頻率為40 kHz,占空比60%,電容取2 200μF,電感為1 mH,電阻為18 Ω。得到的電流電壓波形圖如5所示。通過仿真可看出,在不考慮損耗時電壓可以升36 V以上,電流也可以達到2.4A;在實際電路中因存在損耗,通過調整占空比達到了輸出電壓30~36 V步進調整.最大輸出電流2 A。

王振軍主任醫師

王振軍說明,需要打開模板進行編輯。...[詳細]

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