直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的開發(fā)

陳敏捷， 殳國華， 周平， 張俊賀

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海　200240)

?

直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的開發(fā)

陳敏捷， 殳國華， 周平， 張俊賀

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

常見電源的輸入電壓為交流市電220 VAC,輸出電壓在1 V～300 V范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。為開發(fā)高功率密度高功率因數(shù)高效率的直流數(shù)字穩(wěn)壓電源,以APFC作為輸入級以全橋變換器作為主功率變換拓?fù)?、以C2000系列微控制器TMS320F28027作為主控芯片、以基于峰值電流模式的移相控制作為控制策略研發(fā)直流數(shù)字電源。最終制作了一臺實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，測試并驗(yàn)證了可行性。

數(shù)字電源;APFC;全橋變換;移相控制;C2000

0　引　言

直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用十分廣泛，例如實(shí)驗(yàn)室電源，就是面向?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用及在實(shí)驗(yàn)室條件下工作的電源。這種電源往往要求有獨(dú)特的性能，包括輸出電壓必須可調(diào)、具有較好的負(fù)載調(diào)整率和動態(tài)響應(yīng)能力、較強(qiáng)的防電流浪涌能力、防止過電壓等。當(dāng)然還要在短路保護(hù)、漏電保護(hù)、靜電屏蔽、差模噪聲、共模噪聲等方面滿足電源標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范的要求[1]。它的性能決定著研究及應(yīng)用的質(zhì)量，尤其是對測量質(zhì)量起著決定性影響。

Boost電路在PFC中應(yīng)用廣泛，功率因數(shù)校正效果良好，以其作為輸入級，可以有效提高電源的功率因數(shù)，大幅減少諧波。全橋拓?fù)湟揽吭黾娱_關(guān)管數(shù)量而減少開關(guān)管電壓應(yīng)力，是大功率時的首選拓?fù)?。移相控制策略可使拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)軟開關(guān)，消除開關(guān)頻率的限制，進(jìn)而提高電源的功率密度。峰值電流模式由于其固有的電壓前饋、自動逐周期電流限制以及磁通均衡等優(yōu)勢使其成為優(yōu)先考慮采用的控制機(jī)制。本文綜合上述技術(shù)，設(shè)計制作了面向?qū)嶒?yàn)室等應(yīng)用場所的直流數(shù)字電源。

1　電源系統(tǒng)原理圖

直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)是一種功率轉(zhuǎn)換裝置，將輸入交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰闹绷麟妷旱燃?。本文所采取的結(jié)構(gòu)是兩級方案，前級AC/DC主要承擔(dān)將交流市電轉(zhuǎn)化為直流電的任務(wù)，后級DC/DC主要負(fù)責(zé)輸出可調(diào)直流電壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用兩級方案，輸入整流電路采用Boost拓?fù)渫ㄟ^特定的控制方法實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正的效用，減少用電設(shè)備諧波的產(chǎn)生。主功率級DC/DC采用基于數(shù)字控制的電流模式移相全橋電路，不僅消除變壓器的偏磁，及時響應(yīng)輸入電壓的變化，而且實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)[2]。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1有源功率因數(shù)校正電路

圖2　APFC原理框圖

采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)提高本設(shè)計的功率因數(shù)，降低總電流畸變率，原理如圖2所示，交流輸入經(jīng)過橋式二極管整流后再經(jīng)過DC/DC變換，在保持輸出電壓穩(wěn)定的前提下，經(jīng)過一定的控制方式整形輸入電流波形使其跟蹤輸入整流電壓波形[3]。包含兩個控制環(huán)：電流內(nèi)環(huán)使輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，并且保持基本無相位差，電壓外環(huán)使變壓器的輸出保持穩(wěn)定。

2.2基于UCC28019的Boost-PFC電路

本系統(tǒng)APFC控制器選用UCC28019。UCC28019是TI公司推出的應(yīng)用于連續(xù)電流模式(CCM)Boost拓?fù)銹FC的、基于平均電流模式的APFC控制器，其可用于寬電壓輸入場合，輸出功率涵蓋100 W至2 kW以上范圍。這款控制器工作在定頻65 kHz，具有豐富的系統(tǒng)保護(hù)功能[4](見圖3)。

圖3　基于UCC28019的Boost-PFC原理圖

如圖3所示為本文的基于UCC28019的PFC電路。該電路分為三個部分：EMI濾波器、控制器部分以及主電路部分。EMI濾波器主要用來防止電網(wǎng)和設(shè)備的串?dāng)_，其包括壓敏電阻，共模電感以及差模電感、安規(guī)電容等組成[5]。另外，所構(gòu)建的Boost-PFC主電路還包括由繼電器、電阻和三極管驅(qū)動電路構(gòu)成的限制啟動浪涌電流的有源抑制電路，可以控制EMI和橋式電路之間的通斷。

2.3移相全橋DC/DC電路及軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

圖4示出本文所采用的移相全橋電路原理圖。由于全橋變換器是降壓式(BUCK)變換器的衍生拓?fù)?，因此在選擇器件參數(shù)時，輸出電壓考慮最高輸出電壓。在設(shè)計移相全橋主電路之前，先確定了輸入輸出參數(shù)以及所要求的一些技術(shù)指標(biāo)，列于表1中。

表1　移相全橋技術(shù)指標(biāo)

圖4中，MOSFET開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4組成一個全橋，將輸入的直流電壓斬波成方波交流電，經(jīng)過變壓器變壓及隔離，在變壓器的次級側(cè)上采用全橋整流的方式將方波交流電壓整流為方波直流電壓，然后經(jīng)過LC輸出濾波器濾波，最終輸出想要的直流電壓。橋式拓?fù)鋵?shí)際上是利用增加開關(guān)管的數(shù)量以達(dá)到降低開關(guān)管電壓應(yīng)力的目的[6]。變壓器次級整流電路選擇全橋整流的方式。相比較于其他方式，全橋整流電路節(jié)省了變壓器的中心抽頭，減少變壓器次級繞組匝數(shù)。并且其適用于電壓較高、電流較大的場合，變換器成本也相對比較低。

軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)減小甚至消除開關(guān)管開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低開關(guān)管電壓或電流的變化率從而降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，這為進(jìn)一步提高開關(guān)頻率提供了可能[7]。移相全橋主要是利用了開關(guān)管的寄生輸出電容和變壓器原邊漏感之間的諧振，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)效果。為了增強(qiáng)諧振效果，主動為開關(guān)管并聯(lián)電容，在變壓器初級串聯(lián)一個小電感，以使諧振效果更好。本設(shè)計中采用ZVS方式實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖4中，Lr為諧振電感，C1、C2、C3、C4是開諧振電容。

圖4　移相全橋DC/DC主電路

C2000系列芯片TMS320F28027作為本設(shè)計主控芯片，具有高精度PWM產(chǎn)生器、增強(qiáng)型ADC以及模擬比較器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等外設(shè)并且數(shù)模轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部可以直接連接模擬比較器。除此之外，其還具有斜坡發(fā)生器等專門用于電流控制模式的功能，因此它非常適合于本設(shè)計中基于峰值電流模式的移相全橋電路。

在移相全橋電路的控制電路中，主控芯片產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過驅(qū)動變壓器隔離驅(qū)動全橋的兩個橋臂。全橋正常工作之后將會在主電路中產(chǎn)生電壓和電流，通過ADC采樣輸出電壓和輸入電流并與參考值進(jìn)行比較，按照峰值電流控制方式調(diào)整主控芯片PWM波，從而得到想要的輸出?？刂齐娐放c主電路輸出共地。在這種情況下，對輸出電壓、輸出電流可以通過阻容直接采集，而對原邊電流則需要使用電流互感器采集。

2.4開關(guān)管驅(qū)動設(shè)計

由于本設(shè)計中所采用的開關(guān)管為MOSFET管，在開通瞬間需要提供大電流，在關(guān)斷瞬間需要抽走大電流，主控芯片的PWM腳提供電流能力有限，因此需要用到PWM驅(qū)動芯片。

圖5　MOSFET的隔離驅(qū)動電路

本設(shè)計使用的驅(qū)動芯片采用TI公司的UCC27324。所構(gòu)建的驅(qū)動電路如圖5所示。

3　數(shù)字式移相全橋軟件設(shè)計

圖6　系統(tǒng)控制流程圖

圖6是數(shù)字式移相全橋系統(tǒng)控制流程圖?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，其對輸出電壓進(jìn)行采樣，然后與參考電壓相比較，得到的差值送入數(shù)字控制器，數(shù)字控制器的輸出加上一定的斜坡補(bǔ)償將作為電流峰值進(jìn)入電流環(huán)，電流內(nèi)環(huán)將外部電壓環(huán)產(chǎn)生的電流峰值與采樣得到的原邊電流進(jìn)行比較，從而控制其輸出電壓跟隨參考電壓。在本設(shè)計中，我們基于TI公司為峰值電流模式數(shù)字電源專門打造的TMS320F28027芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字式軟件設(shè)計。

圖7　main( )程序流程圖

圖8　中斷服務(wù)程序流程圖

由上述運(yùn)行原理，可設(shè)計出相應(yīng)的DSP程序，它主要包括兩個部分：C語言部分和匯編語言部分。C語言部分是一般性任務(wù)，D主要作為應(yīng)用的主要支持程序，負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)管理、參數(shù)調(diào)整、智能監(jiān)視以及主機(jī)交互等任務(wù)。圖7是其工作流程。

匯編部分被嚴(yán)格限定為中斷處理，數(shù)字電源對實(shí)時性的要求非常高，為了能及時響應(yīng)，因此要求關(guān)鍵事件均在中斷中進(jìn)行處理。出于對中斷時間的嚴(yán)格把控，再加上匯編語言的執(zhí)行效率更高因此中斷中采用匯編語言進(jìn)行編寫。圖8描述了本設(shè)計中斷服務(wù)程序流程。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1APFC測試結(jié)果

該電源裝置首要的任務(wù)就是輸出符合要求的直流電壓，輸入側(cè)有較高的功率因數(shù)。測試波形參數(shù)結(jié)果如表2所示。表中列出了輸入220 V AC輸出390 V、408 W時的輸出電壓、諧波畸變率以及PF值，以及為輸入220 VAC輸出390 V、1 188 W時的輸出電壓波形、諧波畸變率以及PF值。測試的結(jié)果顯示，所得到的輸出電壓比較滿足該設(shè)計的要求。

表2　輸出波形主要參數(shù)

4.2移相全橋DC/DC測試結(jié)果

圖9　電源輸出測試

圖9左圖為測試的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸出電壓,右圖為其紋波波形?？梢钥闯觯敵鲭妷悍浅７€(wěn)定，紋波在200 mV以內(nèi)。輸出電壓紋波率在1%以下，因而設(shè)計的方案很好的減小了電壓紋波。

4.3效率測試

圖10　效率與負(fù)載電流關(guān)系曲線

在輸出電壓穩(wěn)定之后，對移相全橋的效率進(jìn)行了測試。圖10是在不同輸出電壓下測量的負(fù)載電流與效率的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，效率和負(fù)載電流有一定的關(guān)系?？傮w來說，移相全橋電路的工作效率較高，峰值效率在92%以上。

5　結(jié)束語

通過對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)以及對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出在本設(shè)計中，有源功率因數(shù)校正電路工作情況較好，能有效提高樣機(jī)的功率因數(shù)，濾除諧波含量；移相全橋電路能很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓并且可寬范圍調(diào)節(jié)，此外移相控制實(shí)現(xiàn)了全橋的軟開關(guān)效果，降低了開關(guān)損耗，提高了效率與功率密度，達(dá)到了初始設(shè)計時的技術(shù)要求。驗(yàn)證了對變換器工作原理的分析，說明主電路和控制系統(tǒng)及其軟件的設(shè)計是實(shí)用的。

[1] 金雷鳴.實(shí)驗(yàn)室供電電源的要求及檢測[J].上海計量測試,2007,35(2):21-22.

[2] KEITH BILLINGS,TAYLOR MOREY著.張占松，汪仁煌,譯.開關(guān)電源手冊[M].3版.北京：人民郵電出版社,2012.

[3] SANJAYA MANIKTALA著.王志強(qiáng),譯.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[4] 何光俊.單周期控制軟開關(guān)Boost變換器PFC技術(shù)的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

[5] 潘飛蹊.有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2004.

[6] 李永鶴.基于DSP的變壓變頻電源設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué),2013.

[7] 王曉佳.基于DSP的移相全橋ZVS變換器的研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2009.

Development of a Digital DC Regulated Power Supply

CHEN Min-jie, SHU Guo-hua, ZHOU Ping, ZHANG Jun-he

(School of Electronic Information & Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

For the common power supply, the input voltage is 220 VAC and the output voltage is continuously adjustable in the range of 1 V～300 V. To develop a digital DC regulated power supply with high power density, high power factor and high efficiency, a digital DC power supply is developed, using APFC as input stage, full-bridge converter as main power conversion topology, C2000 series microcontroller TMS320F28027 as main control chip, and phase shift control based on the peak current mode as control strategy. Finally, an experimental prototype is made, and the feasibility is verified in the test.

digital power, APFC, full-bridge conversion, phase shift control, C2000

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.009

TM351

A

1000-3886(2016)02-0022-03

陳敏捷(1991-)，男，江蘇鹽城人，研究生，研究方向：開關(guān)電源。殳國華(1969-)，男，浙江海寧人，副教授，研究方向：電力電子、計算機(jī)控制技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。周平(1990-)，男，江西贛州人，研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。張俊賀(1987-)，男，安徽阜陽人，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、開關(guān)電源。

定稿日期: 2015-10-20