一種升流型電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與仿真

王彥凱，周學(xué)軍，張 政

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一種升流型電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與仿真

王彥凱，周學(xué)軍，張 政

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033）

針對(duì)采用直流恒流供電的水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)中的終端用電設(shè)備的供電問題，本文提出了一種新的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，能夠使輸出電流大于輸入電流。設(shè)計(jì)合理的反饋控制電路，對(duì)輸出電壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到所需特定電壓。通過理論分析和電路仿真，驗(yàn)證了該方案能夠?qū)崿F(xiàn)升流和輸出特定的恒壓。

直流恒流 升流 電流/電壓轉(zhuǎn)換 PWM 水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)

0 引言

長(zhǎng)期以來，我國(guó)對(duì)海洋的觀測(cè)通常是通過艦船、飛機(jī)和衛(wèi)星等方法，這些傳統(tǒng)手段獲取的信息往往是表面的、零星的、短暫的。隨著我國(guó)周邊海洋安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻和對(duì)海洋科研和開發(fā)的需要，傳統(tǒng)的觀測(cè)平臺(tái)已經(jīng)無法滿足我國(guó)未來海上軍事和海洋科研、開發(fā)的需求。與傳統(tǒng)觀測(cè)平臺(tái)相比，水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑸詈４笱笾糜谌祟惖臋z測(cè)視域之內(nèi)，不僅能對(duì)海洋進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、不間斷地觀測(cè)，也具備實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)警、通信能力，這對(duì)我國(guó)的科研和國(guó)防以及海洋資源開發(fā)都具有重大作用[1-4]。

水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)由海光纜、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、檢測(cè)管理設(shè)備、終端設(shè)備以及其他輔助設(shè)備組成，這些設(shè)備都是有源設(shè)備，需要岸基電源進(jìn)行供電。遠(yuǎn)程供電分為交流輸電和直流輸電，如果采用交流輸電，海纜會(huì)與海地形成旁路電容和電感，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大電能損耗。直流供電又分為恒流和恒壓兩種供電方式。與恒壓相比，恒流供電具備故障自愈能力強(qiáng)，故障定位容易，擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但水下的有源設(shè)備需要恒壓源供電，如果采用恒流供電，就需要恒流源轉(zhuǎn)恒壓源的模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備的供電[5-8]。

若轉(zhuǎn)換模塊的輸出電流小于輸入電流，就會(huì)限制輸出功率，制約水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)用性和擴(kuò)展性，因此設(shè)計(jì)能夠使輸出電流大于輸入電流的電流/電壓（C/V）轉(zhuǎn)換模塊對(duì)于未來水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的發(fā)展具有重要意義。

1 轉(zhuǎn)換電路總體設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)框圖如圖所示，額定輸入為1.5 A直流恒流，目的是使輸出電流大于1.5 A，并得到穩(wěn)定的特定負(fù)載電壓。通常由海底光纜對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，常見的水下用電設(shè)備的額定電壓有12 V、24 V以及48 V[9]。

圖1 電路總體設(shè)計(jì)

輸出電壓經(jīng)采樣后送至PWM控制器，PWM控制器輸出兩路互補(bǔ)的PWM控制信號(hào)，通過控制主電路MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷來調(diào)節(jié)輸出電壓，形成了閉環(huán)控制。

2 主電路設(shè)計(jì)與分析

圖2 主電路示意圖

圖2中C是輸入端接入電容，具有儲(chǔ)能作用和能量轉(zhuǎn)換功能；L是儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換電感，同時(shí)具有濾波作用；D是續(xù)流二極管，同時(shí)具有隔離作用；RL是負(fù)載等效電阻；Q是由PWM脈沖信號(hào)控制的電子開關(guān)；i是輸入電流，o是輸出電流，o是輸出電壓，g是開關(guān)管控制脈沖。

反饋控制電路不輸出脈沖時(shí)，功率開關(guān)管Q截止，恒流源將電流全部用于給儲(chǔ)能電容C充電，經(jīng)過截止時(shí)間off后，反饋控制電路輸出正脈沖，功率開關(guān)管導(dǎo)通，因二極管D存在，此時(shí)恒流源電流與儲(chǔ)能電容C釋放的電流一同流經(jīng)電感，為負(fù)載電阻RL供電，而電感L中的電流逐漸上升，L兩端的電壓約為i?o，L將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存起來，經(jīng)過導(dǎo)通時(shí)間on后，功率開關(guān)管Q截止，恒流源再次為儲(chǔ)能電容充電。因L中電流不能突變，這時(shí)L兩端產(chǎn)生右端正左端負(fù)的自感電勢(shì)抗拒電流下降，二極管D會(huì)正向偏置導(dǎo)通，L、RL和D構(gòu)成回路，回路電流值逐漸下降，L中儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來供給負(fù)載RL，經(jīng)過截止時(shí)間off后，重復(fù)上述過程，最終達(dá)到電路穩(wěn)定工作。

圖中除開關(guān)為模型外，其余都是普通元器件。開關(guān)可用雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管以及IGBT等電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)，控制脈沖可用各種PWM集成電路來實(shí)現(xiàn)。

電路到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)：

從電感分析如下：

功率開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電感L兩端的電壓約為i?o，將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存起來，電流增加量為：

Q截止時(shí)，電感L向負(fù)載供能，磁能轉(zhuǎn)化為電能，電流減少量為：

其中為控制脈沖周期。

只考慮理想狀態(tài)，除負(fù)載外，電路無能量損耗，則輸入功率等于輸出功率，即：

其中為控制脈沖占空比。

從電容分析如下：

功率開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電容C放電，電容兩端電壓減少量為：

功率開關(guān)管Q截止時(shí)，電容C放電，電容兩端電壓增加量為：

調(diào)節(jié)控制脈沖占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電流o，因?yàn)檎伎毡葷M足0≤≤1，所以o≥i。

通過理論分析，可知該電路在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流大于輸入電流的功能，對(duì)輸出電壓取樣并反饋到控制電路，通過調(diào)節(jié)控制脈沖占空比就能夠得到穩(wěn)定的輸出電壓。

圖3 主電路波形

圖3為該電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電流或電壓隨時(shí)間變化的波形圖，其中i是輸入電流，g是開關(guān)管控制脈沖，Q是流過開關(guān)管的電流，i是電容C兩端的電壓，L是流過電感L的電流，o是輸出電壓。

3 控制電路

3.1 反饋及控制電路原理

為實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換，在輸出端取樣電壓值反饋至PWM的誤差電壓輸入端，通過調(diào)整控制脈沖占空比間接調(diào)整輸出電壓使之穩(wěn)定在某一值，取樣輸出電壓可以采用使用采樣電阻或使用霍爾電壓傳感器等方法。

圖4中ref是基準(zhǔn)電壓，通常在PWM集成芯片內(nèi)部產(chǎn)生；使用采樣電阻采樣輸出電壓，R1、R2是采樣分壓電阻，通過采樣R2的電壓f與基準(zhǔn)電壓ref進(jìn)行比較進(jìn)而來改變PWM輸出占空比，從而使輸出電壓為恒定值。

主電路與反饋控制電路之間通過匝數(shù)比為1：1的變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，PWM信號(hào)輸出到變壓器的初級(jí)線圈，在次級(jí)線圈上產(chǎn)生相同幅度和相位的信號(hào)來控制主電路電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖4 反饋及控制原理示意圖

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路的核心器件為PWM控制芯片，這里采用了SG3525。采樣電壓接入誤差放大器的同相輸入端；16腳輸出的5.1 V基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻R1和R2分壓后作為比較電壓接入誤差放大器的反相輸入端。腳5外接電容CT，腳6外接電阻RT，腳5和腳7之間接電阻RD，一般通過改變T和T的值來調(diào)節(jié)芯片PWM波形的輸出頻率，其頻率的計(jì)算公式為：

T的取值范圍為1 nF-0.1 μF，T的取值范圍為2 kΩ~150 kΩ。芯片的震蕩頻率為100 Hz-500 kHz。

4 仿真分析

4.1 主電路仿真分析

主電路使用SABER進(jìn)行仿真，控制電路用可以輸出理想的脈沖信號(hào)的PWM脈沖源代替，通過調(diào)節(jié)其周期與高電平時(shí)間來調(diào)節(jié)占空比。電子開關(guān)使用增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，脈沖周期為50 μs，輸出12 V脈沖電壓以驅(qū)動(dòng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。電流源提供1.5 A直流電流，負(fù)載等效電阻為5 Ω，仿真時(shí)長(zhǎng)5 s。

圖5 主電路仿真電路

圖6 主電路仿真波形圖

仿真波形圖如圖6所示，波形1和4分別是占空比為15.625%時(shí)負(fù)載等效電阻R上的仿真電壓和仿真電流，波形2和5分別是占空比為31.25%時(shí)負(fù)載等效電阻R上的仿真電壓和仿真電流，波形3和6分別是占空比為62.5%時(shí)負(fù)載等效電阻R上的仿真電壓和仿真電流。

表1 主電路仿真數(shù)據(jù)

由圖6和表1可知，在軟件環(huán)境下對(duì)主電路進(jìn)行仿真，得到了較為理想的仿真結(jié)果，仿真電壓和仿真電流較為接近理論值，且電路能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，獲得穩(wěn)定的電壓輸出。

4.2 帶控制電路的仿真分析

使用PSpice對(duì)帶控制電路的完整電路進(jìn)行仿真，圖7中L為負(fù)載等效電阻，阻值為5 Ω，電阻1、2為電壓采樣電阻，仿真軟件中芯片的震蕩頻率可以直接設(shè)置，這里的設(shè)定值為20 kHz。

在采樣電阻1、2阻值固定的情況下，通過改變分壓電阻3、4的阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓，即負(fù)載等效電阻L兩端的電壓。輸出電壓o與分壓電阻3、4阻值的關(guān)系為：

電阻1和2的取值應(yīng)盡量大以減少電能在取樣電阻上的損耗。

圖7 帶控制電路的仿真電路

仿真波形圖如圖8所示，波形1和4分別是設(shè)定輸出為48 V時(shí)負(fù)載等效電阻L上的仿真電壓和仿真電流，波形2和5分別是設(shè)定輸出為24 V時(shí)負(fù)載等效電阻L上的仿真電壓和仿真電流，波形3和6分別是設(shè)定輸出為12 V時(shí)負(fù)載等效電阻L上的仿真電壓和仿真電流。

由圖8和表2可知，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)升流以及C/V轉(zhuǎn)換，并能夠較快的達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，得到特定的輸出電壓。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，該電路能夠通過反饋電路迅速調(diào)整控制脈沖的占空比，從而得到較為穩(wěn)定的輸出電壓。

圖8 帶控制電路的仿真波形圖

表2 帶控制電路的仿真數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文提出了一種新的C/V轉(zhuǎn)換電路來為水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的用電設(shè)備提供恒壓供電，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流大于輸入電流，提高了輸出功率，增強(qiáng)了平臺(tái)的擴(kuò)展性和實(shí)用性。通過理論分析和仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）利用電容充放電的功能，將其放置在工作電路的前端，和恒流源一起為工作電路提供電流，從而達(dá)到輸出電流大于輸入電流的目的。通過調(diào)節(jié)電子開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的比值來調(diào)節(jié)輸出電流的值，在滿足公式（4）的條件下滿足負(fù)載的電壓和電流要求。

2）通過設(shè)計(jì)合理的控制電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)C/V轉(zhuǎn)換，得到較為穩(wěn)定的輸出電壓，并且具備自我調(diào)節(jié)能力，如果輸出電壓發(fā)生變化，該電路能夠通過反饋調(diào)節(jié)使輸出電壓恢復(fù)至設(shè)定值。

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Design and Simulation of An Up-current Current/Voltage Conversion Circuit

Wang Yankai, Zhou Xuejun, Zhang Zheng

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TN702

A

1003-4862（2019）02-060-05

2018-09-03

王彥凱（1993-），男，碩士研究生。研究方向：水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)。E-mail: hjgcwyk@163.com