高频开关电源的数字化控制电路的设计

2022-10-24

随着信息化、自动化技术的发展, 作为整个大系统的能量提供中心的电源, 其稳定性、可靠性、可控性、可检测性越来越重要。而数字化的电源可以实现快速、灵活的控制设计, 使D C/D C变换器的性能更好, 改善电路的瞬态响应, 使之速度更快, 更精确, 并提高了可靠性。

1 开关电源的工作原理

开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源, 它必须同时具备这样三个条件:开关 (电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态) 、高频 (电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频) 和直流 (电源输出是直流而不是交流) 。开关电源电路中的整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容C1滤波后得到直流电压ui, 再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。逆变器输出经高频变压器T隔离并变换成适当的交流电压, 再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压uo。

2 开关电源的软开关技术

开关电源的寿命由模块内部工作温升所决定, 温升的高低主要由模块的效率高低所决定。现在市场上大量使用的开关电源, 主要采用的是脉宽调制技术 (P W M) 。硬P W M控制型开关电源主要缺陷是提高工作频率的同时难以减小元器件的几何尺寸及重量。在较高的频率下, 开关损耗增大, 因此通常工作频率限制在几百赫兹以下, PWM型开关电源的损耗主要是开、关及导通状态下的功耗, 而开通损耗主要是由存储在新载体开关的寄生电容内的能量突变所引起的。开关管关断时加在漏感上的电压随di/dt将产生一个尖峰值。为了限制开关器件的应力又必须采用缓冲电路, 这一缓冲电路也将耗能。

3 高频开关电路小信号模型的建立

目前在D C/D C或A C/D C变换器的建模方法应用比较广泛的是状态空间平均法。所谓状态空间平均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, 最后获得一个统一的电路模型。移相全桥变换器可由BUCK变换器变化而来, 所以首先根据BUCK型变换器电路结构建立BUCK小信号模型[3], 如图1、图2所示。

由等效电路很容易得B U C K变换器的控制一输出开环传递函数。

移相全桥ZVS变换器与BUCK变换器的不同之处在于移相全桥变换器的占空比为有效占空比Deff, 记移相全桥变换器主变压器原副边匝比为1:n。有效占空比:

其中, Lr为谐振电感。由上式可知, 有效占空比Deff是原边占空比D、输入电压Vm、负载电流人的函数。这样, 在移相全桥变换器中存在三种不同扰动使有效占空比Deff产生相应的三种扰动。移相全桥变换器的小信号等效电路模型如图3。

由等效电路可得移相全桥变换器的控制-输出传递函数:

其中, Rd=4n2Lrf, Rd的意义是负载甩流引起的原边电压损失与负载电流的比值, 与负载电流的乘积再除以原边电压就是负载电流引起的占空比丢失。从上式可以看到, 由于负载电流对有效占空比的影响, 降低了Gvd (s) 的低频增益。在主电路参数设计中, 必须控制最大占空比丢失。

将实际参数代入上式, Vm=3 9 0 V, n=3, Lf=1 1 1.3 u H, C=4 0 u F, VO=4 8 V, Lr=9.8 u H, f=1 0 0 K H z, R=Uo2/P o=4 8 2/2 4 0 0=0.9 6, 得:Gvd (s) =1170/ (4.45×10-9S2+0.776S+36.8)

4 数字控制系统软件流程

系统软件主要有主程序和中断程序两大部分。

主程序主要是完成系统初始化, 开关机检测, 开关机初始化, 然后进入主程序循环等待中断。硬件初始化作包括偏置看门狗电路;禁止中断 (取T M=1) ;设置符号扩展模式 (S X M=1) ;清零所有的C P U级中断标志寄存器 (IFR) ;设置CPU级中断屏蔽寄存器 (I M R) 等。

当C P U接受中断请示时, 它并不知道是哪一个外设事件引起的中断请求。因此, 为了让C P U能够区别这些引起中断的外设事件, 在每个外设中断请求有效时都会产生一个唯一的外设中断向量, 这个外设中断向量被装载入外设中断向量寄存器 (PIVR) 里面。中断程序包括Tl周期中断子程序、Tl下溢中断子程序和N M I中断子程序 (N M I中断由NMI屏蔽寄存器管理) 。在周期中断程序中完成读取电压采样值, 数字滤波, 实施控制算法, 启动电流AD转换等工作, 周期中断中完成稳压控制。

摘要：实现电源高频化的有效途径是采用软开关技术, 本文通过分析电源电路中的软开关技术, 在基于Buck变换器的基础上建立了移相全桥变换器的小信号模型, 该模型具有较高的系统稳定性。最后给出了数字化控制系统的软件流程。

关键词：高频开关电源,数字信号处理器 (DSP) ,软开关,小信号模型