39数控开关电源设计

1绪论1.1课题研究背景开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。电源作为各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能优劣直接影响到整个电子系统的性能指标。随着科技的发展，电子设备不断更新换代，其种类越来越多，对电源的性能指标的要求越来越高，加之不同的电子设备对电源的要求又不尽相同，这样，给电源的研究带来了许多新的研究课题。在传统功率电子技术中，DC/DC变换器控制部分是按模拟信号进行设计和工作的。在六、七十年代，功率电子技术完全建立在模拟电路的基础上。但是近年来，随着数字信号处理技术的日益完善、成熟，微处理器/微控制器和数字信号处理器的性价比不断提高，数字控制在功率变换器中得到广泛应用。它使得开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高了开关电源的性能和可靠性。例如电机、不间断电源（UPS）的控制电路都选用各种数字信号处理器或微处理器作为其核心控制部件。功率变换器已由模拟控制、模数混合控制，进入全数字化控制阶段。相对于模拟控制，数字控制有许多优点[1]：（1）数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器件的存在，功率变换器是强非线性系统。传统的模拟控制是在功率变换器近似线性模型的基础上，利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络，这种方法设计简单且容易实现。但随着对电源性能指标的要求不断提高，这种设计方法很难提高系统的控制性能。而数字控制可以实现各种非线性控制策略，使得控制系统的性能大大提高。（2）数字控制系统具有很强的抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。（3）数字控制系统灵活性高，数字化极大地简化了变换器控制的硬件。采用数字控制技术可以设计统一的硬件平台，适用不同的变换器系统，只通过软件的改变就可以改变控制策略，无须硬件更改，同时，数字控制系统更容易实现过压、过流保护、输出电压调节、故障监测及通讯等功能，使电源“智能化”。总之，对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量离散元器件的参数，这就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变换器的一大发展趋势。1.1.1开关电源的发展历史开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源效率可达65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHz革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。1.1.2我国开关电源历程我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源的研制工作始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初开始研制无工频变压器开关稳压电源。近10多年来，许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源，并广泛用于电子计算机、通讯和彩色电视机等领域，效果较好。工作频率为100kHz-200KHz的高频开关稳压电源于90年代初试制成功，已走向应用阶段。90年代后，随着国外控制芯片的发展和引进，200kHz以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成熟，并在许多领域替代了工作频率较低的开关电源。目前国内正在致力于研制高工作频率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方面取得了长足的进展，但与发达国家相比，仍存在着较大差距，尤其是开关电源PWM控制芯片，因为现有开关电源所用的PWM芯片几乎全部来自于国外。根据有关资料报道，西方发达国家把开关电源的工作频率己经提高到1MHz，甚至几十MHz。由于我国半导体技术和加工工艺还落后于西方发达国家，致使我国自行研制的开关电源中许多重要器件还依赖进口。要缩小与西方发达国家在开关电源研制方面的差距，尚需加快研发的步伐。1.1.3开关电源技术发展动向（1）小型、薄型、轻量化由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采用表面安装（SMT）技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。（2）高效率开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。采用软开关技术可以使效率达到85％～88％。（3）高可靠性可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了可靠性。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。（4）模块化可用模块电源组成分布式电源系统；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩大容量。（5）低噪声开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。但谐振变换技术也有其难点，如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。（6）抗电磁干扰（EMI）当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准。（7）电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化。中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。（8）计算机辅助设计（CAD）利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。（9）产品更新加快目前开关电源产品要求输入电压通用（使用世界各国电网电压规模），输出电压范围扩大，输入端功率因数进一步提高，具有安全、过压保护等功能。1.2DC-DC变换器动态分析方法概述一般来讲，DC-DC变换器建模方式可分为两大类。一类称为数字仿真法，一类称为解析建模法，如图1.1所示。数字仿真法是利用各种各样的算法求得变换器某些特征性的数字解的方法。执行这类方法常常要利用数字计算机辅助来完成。数字仿真法又分可为两种，一种是直接数字仿真法，一种是间接数字仿真法。数字仿真法的优点是准确度和精确度都高，可以得到响应的完整波形，适用范围广，既可以进行小信号分析，也可以进行大信号分析，用起来方便；缺点是物理概念不甚清楚，对设计的指导意义不大。图1.1DC-DC变换器建模方法分类解析建模法是指能用解析表达式表示其特性的建模方法。为做到这一点，在建模过程中常常需要做出某些近似的假定，以简化分析。解析建模法也可分为离散法和连续法。如图1.1右半边所示，离散法是以某一变量在一个周期中特定时刻的值为求解对象。建立描述这个变量与各作用量之间关系的差分方程或Z变换函数，求解这个差分方程或通过Z域分析，得到其解析解。这个方法的优点是准确度高；缺点是分析程序复杂，所得结果更为复杂。连续法也称连续建模法，是目前应用最广泛，最基本的方法，是指把本来在一个周期有两个或三个不同电路拓扑的电路，经过某种意义的平均处理，变为一个只有一种电路拓扑的连续工作的电路，即其工作可用一个连续的微分方程或者S域传递函数来描述。通过求解微分方程式或者S域分析得到其稳态和动态小信号的解析解，这种方法优点是简单，物理概念清楚，可以利用线性电路理论和控制理论来对变换器系统进行稳态和动态分析，对于变换器有指导意义。它的缺点是在信号频率较高，特别是接近开关频率一半的时候，准确度比离散法或数字仿真法低。但一般情况下其准确度DC-DC开关变换器的建模方法数字仿真法解析建模法直接数字仿真法间接数字仿真法离散建模法连续建模法离散连续结合法状态空间平均法平均值电路等效法是足够的。连续平均法是目前应用最广泛的，最基本的方法。连续平均法也可分为两种形式，一种是状态空间平均法，一种是平均值等效电路法，如图1.1下半部分所示。状态空间法是从变换器的不同拓扑下的状态空间方程出发，经过平均—小信号扰动—线性化处理，得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模型；平均值等效电路法是从原变换器出发进行电路处理，最后得到一个等效电路模型。平均值等效电路法与状态空间平均法在其推导过程中的假定条件相同，所以，它们的准确度，适用范围也相同。都是适用于稳态和低频小信号扰动情况下，状态空间平均法在推导过程中开始可以不涉及变换器的具体电路，而从周期性工作的断续系统的状态方程出发，得到表征系统稳态和动态小信号模型与变换器原型的拓扑结构是不同的，而且不连续导电模式相同，平均值等效电路模型的推导要从具体变换器电路开始，然后得到等效电路模型[2]。1.3本课题的主要研究内容目前在小功率开关电源的设计中，普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术。使用专用PWM控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，但它的智能化程度低人机交互性能差。针对这一现状，本文采用以AVR单片机为控制核心设计出的小功率数控稳压开关电源，可以克服以上缺点。本文以Buck变换器为研究对象，设计了一个可控的开关电源。分析变换器的工作状态，连续模式（ContinuousConductMode，简称CCM）和断续模式（DiscontinuousConductMode，简称DCM）以及各自的特点、应用场合，论证了两种工作状态的临界模式，从电路参数的角度明确了二者的界限，为后面的设计奠定理论基础；通过对整个变换器系统建立准确的数学模型，对此变换器的电路结构做了进一步的研究，定性、定量地分析了变换器各部分的工作状态，为仿真和实验参数的确定以及电路参数的优化提供理论依据；从稳态分析的角度，为系统建立了动态小信号状态方程并推导出系统的传递函数，利用matlab对系统进行仿真，进而根据仿真结果对系统进行校正；最后，在前面所做工作的基础上，结合设计要求计算出此变换器系统中每个元器件的数值，搭建了硬件电路。实验电路的实验结果表明：该变换器的各项性能指标达到了设计要求，验证了设计方案的可行性以及理论分析的正确性。在研究分析了Buck型DC/DC变换器建模方法的基础上，使用PID控制策略。通过对Buck变换器和进行建模仿真验证了这种控制策略，仿真结果表明，该算法具有很好的动态响应，非常适合于对DC/DC变换器动态性能要求比较高的场合。为了实现这种控制策略，本文以AVR的ATMega16为核心控制器件，以Buck变换器为试验平台设计了系统硬件电路，并通过软件编程最终进行了实现。试验结果表明这种控制策略具有很好的控制性能，算法实现比较简单，同时控制模块设计简单，可靠性高，是一种比较实用、易于实现的控制算法。系统采用AVR单片机作为开关电源的控制核心，其工作原理为：利用AVR单片机片上集成A/D，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出脉冲调制信号，直接控制功率开关脉宽的大小。电路主要部分包括整流滤波模块、开关电源控制模块、过流保护模块、LCD液晶显示模块等。根据实际要求，合理选用MOSFET功率器件，自制电感并配置系列。2