...1单片机的数控直流稳压电源的设计与实现
朱友秀
DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.052
摘 要：直流电源的用途广泛，现今较为常见的直流电源多采用的是输入220V的交流电，输出电压则在1～300V的区间范围内实现可连续调节。为了使得直流电源具有较强的适用性，开发一种功率密度高、功率因数高、高效率的直流数字稳压电源，在直流数字稳压电源的设计中选用APFC作为输入级以全桥變换器作为主功率变换拓扑，在直流数字稳压电源的设计中使用C2000系列的控制器作为直流数字稳压电源的主控芯片。直流数字稳压电源在电源控制上选用基于峰值的电流模式的移相控制作为开发策略。本文将就直流数字稳压电源的设计开发要点进行分析介绍。
关键词：直流数字稳压电源 APFC 移相控制
中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（a）-0052-02
直流数字稳压电源是一种在工业生产和生活中应用十分广泛的电源。在直流数字稳压电源的设计过程中需要注意做好直流数字稳压电源的保护和抗电压、电流过载的能力。Boost电路在PFC中有着广泛的应用，当使用Boost电路作为输入级时，能够有效地提高直流数字稳压电源的功率因数，同时减少电路中的谐波产生。全桥拓扑是一种大功率电源中有着良好应用的拓扑选择，通过在直流数字稳压电源中选用移相控制策略将能够使得直流数字稳压电源的拓扑实现软开关，从而有效消除直流数字稳压电源中开关频率的限制，提高了直流数字稳压电源的可用性。
1 直流数字稳压电源设计原理
在直流数字稳压电源的设计过程中主要涉及到AC-DC/DC-DC两大转换环节，前一环节首先将AC电转换为DC电，而后为实现DC电压可调需要设计相应的调节电路。为实现上述目标，在AC-DC级中选用的是Boost拓扑通过特定的控制方法来实现有源功率因数的校正，减少直流数字稳压电源所产生的谐波量。在DC-DC级设计时为使得直流数字稳压电源能够具有良好的可调节性，在电路上选用的是移相全桥电路，在消除变压器所带来的偏磁的同时还具有良好的电压相应性。此外，在直流数字稳压电源的控制中还实现了软开关。
2 直流数字稳压电源的硬件设计
在直流数字稳压电源的硬件设计时，针对DC-DC级选用的是有源功率因数校正技术（APFC），通过采用APFC将能够使直流数字稳压电源的功率因数得到提高，减少电流的畸变。在硬件设计时，从交流端所输入的电流经过桥式二极管整流后进入DC-DC变换级，通过硬件整形控制使得输出电流能够跟踪输入整流电压波形，保障输出电压的稳定性和波形的跟踪性。在直流数字稳压电源的硬件设计中，主要包含有两个主要的控制环：电流内环和电压外环，其中电流内环主要用于保障输入电流波形能够良好的跟踪输入电压波形，且两者之间无明显的相位偏差。而电压外环则主要用于确保交流电经过变压器变换后能够有稳定的输出。直流数字稳压电源的控制器选用的是UCC28019，其所具有的良好的保护功能能够对直流数字稳压电源形成良好的保护。Boost-PFC电路主要分为滤波部分、控制部分以及主电路部分。在直流数字稳压电源中所使用的移相全桥电路在设计时对于电路所使用元器件参数选择时应当将最高输出电压作为输出电压进行考虑。在移相全桥DC-DC主电路设计时，使用4个MOSFET开关管用以组成一个全桥电路，用以将AC-DC转换所形成的直流电压转换成方波交流电，待到转换完成后经过变压器的变压及隔离，而后使用全桥的变压整流特性输出整流后的方波直流电压，整流方波直流电压经过后续电路的滤波电路将最终输出所需的直流电压。在直流数字稳压电源中所使用的桥式拓扑主要是通过利用开关管的特性利用增加开关管的数量的方式用以降低开关管的电压应力。在直流数字稳压电源的硬件设计中所采用的全桥整流方式与其他方式相比较省去了直流数字稳压电源硬件变压器中的中心抽头，从而使得变压器的次级绕组匝数得到了有效减少。通过选用这一硬件设计方式将能够使得直流数字稳压电源能够应用于一些电流较大、电压较高的场合，且通过简化直流数字稳压电源的结构使其具有良好的性价比。在直流数字稳压电源软开关功能的设计上，在直流数字稳压电源中通过采用软开关技术将能够有效地降低甚至是消除直流数字稳压电源硬件中所使用的开关管在工作过程中所产生的电压或是电流重叠问题，降低直流数字稳压电源中所使用的开关管的电压及电流的变化率从而使得开关管的有用功率得到提升，通过这一方式将能够使得直流数字稳压电源获得更高的开关频率。移相全桥主要利用的是直流数字稳压电源中所使用的开关管的寄生输出电容和变压器原边漏感之间的谐振，从而实现直流数字稳压电源的软开关，而为了增强直流数字稳压电源的谐振效果，在直流数字稳压电源的硬件设计上需要在开关管边并联电容并在变压器初级串联一个小电感用以增强直流数字稳压电源的谐振特性。在直流数字稳压电源的硬件设计中主要使用C2000系列的控制芯片，这一系列的芯片所具有的特性能够在应用于本直流数字稳压电源所采用的移相全桥电路中发挥出较为良好的效果。在移相全桥控制电路中，所使用的C2000系列芯片能够产生PWM控制波，经过驱动变压器隔离驱动全桥的两个臂桥。待到直流数字稳压电源的全桥电路正常工作时将会在主动电路中形成一定的电压和电流，经过采样后的电压和电流将与控制电路中的参考电压、电流进行对比并跟进对比的结果输出PWM控制波，用以得到所需的电压和电流输出。
3 直流数字稳压电源中的数字式移相全桥的软件设计
在直流数字稳压电源的控制中主要采用的闭环控制系统，外环所使用的电压环完成对于直流数字稳压电源输出电压的采样，而后将采样信号与直流数字稳压电源中的参考电压相对比，并将对比结果输送到直流数字稳压电源中的数字控制器中。直流数字稳压电源所使用的数字控制器通过输出与一定斜坡补偿进入到电流控制环中，直流数字稳压电源中的电流内环通过将电压环中的电流峰值与采样电流值进行对比用以实现对于直流数字稳压电源输出电流、电压的调节。在直流数字稳压电源的设计过程中，通过采用TMS320F28027芯片来进行直流数字稳压电源的数字式软件控制设计。根据直流数字稳压电源的控制特性来对控制程序进行设计，其中控制程序主要分两大部分：C语言和汇编语言。
4 直流数字稳压电源的测试
在完成了对于直流数字稳压电源的设计后，需要对直流数字稳压电源进行测试。直流数字稳压电源去主要目的是将输入的交流电转化为所需要电压的直流电，同时输入侧还具有较高的功率因数。此外，还需要对直流数字稳压电源输出的稳定性、输出的效率进行一定的测试。
5 结语
直流数字稳压电源在工业上应用较多，通过对设计完成后的直流数字稳压电源进行测试后发现，本设计中所采用的有源功率因数校正电路工况特性良好，且能够在工作中有效地提高直流数字稳压电源的功率因数，此外电源所具有的软开关特性在降低了开关损耗的同时提高了电源的功率密度和效率。
参考文献
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