開關電源數模混合測控系統(tǒng)硬件電路設計與實驗

　　摘要：采用UCC3895芯片與單片機相結合的方案設計了直流開關電源數模混合測控系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)包括電壓環(huán)與限流環(huán)，電壓環(huán)使輸出穩(wěn)定在設定值上，限流環(huán)解決了負載突變問題，調節(jié)器和保護電路的設計使系統(tǒng)穩(wěn)定且安全運行，單片機完成了系統(tǒng)故障的實時監(jiān)測、顯示與保護。最后研制了一套輸出為270V的直流開關電源測控系統(tǒng)，實驗結果良好。

　　引言

　　大中功率直流開關電源一般采用移相全橋DC/DC變換器 。實現全橋變換器的移相控制主要有以下三種方法：(1)采用分立器件進行邏輯組合;(2)采用DSP或CPLD實現數字控制;(3)采用專用集成控制芯片 。采用分立器件進行邏輯組合構成的模擬控制電路結構復雜，不利于開關電源小型化;采用DSP或CPLD實現數字控制的成本較高，且存在數字電路延遲;采用專用的集成控制芯片電路簡單且成本較低。第三種方法中可以采用UCC3895芯片來產生PWM控制波形，UCC3895是一款優(yōu)良的移相全橋控制芯片，有電壓和電流兩種控制模式，占空比可從0%～100%， 且可以為零電壓開關(ZVS)提供高效高頻的解決方案。國內外常用的移相全橋反饋模式為電流模式 ，但其雙閉環(huán)控制電路復雜，不易實現。

　　由于單電壓環(huán)反饋模式簡單有效的優(yōu)點，本文基于UCC3895移相全橋控制芯片采用單電壓環(huán)加限流環(huán)的反饋模式和單片機相結合設計了直流開關電源數字模擬混合測控系統(tǒng)，詳細設計了閉環(huán)系統(tǒng)、控制器參數、保護電路，顯示電路，調壓電路，并對測控系統(tǒng)進行了實驗。

　　系統(tǒng)方案

　　采用應用廣泛的TI公司生產的UCC3895芯片與單片機相結合的方案設計了直流開關電源數字模擬混合測控系統(tǒng)。如圖1所示，利用UCC3895對DC/DC變化器主電路進行PWM移相控制，并與單片機相結合來實現對主電路的檢測與反饋控制，以及輸出過壓，過流，過溫等保護。其中，所選單片機型號為美國微芯公司生產的PIC16F873單片機。PIC16F873共28個引腳，內部自帶5個10位A/D通道，2個定時計數器，2個脈寬調制(PWM)通道。

　　閉環(huán)反饋模式采用單電壓環(huán)加限流環(huán)的模式，存在電壓環(huán)調節(jié)器和限流環(huán)調節(jié)器兩個調節(jié)器，即恒壓控制調節(jié)器和恒流控制調節(jié)器。當電壓環(huán)調節(jié)器工作時，整個電源裝置相當于一個電壓源，此時限流環(huán)調節(jié)器不參與工作;當限流環(huán)調節(jié)器工作時，整個電源裝置相當于一個電流源，此時電壓環(huán)調節(jié)器不參與工作。電壓環(huán)調節(jié)器選用PID調節(jié)器，在低頻段起積分作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，在中頻段起微分作用，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。限流環(huán)調節(jié)器只是在負載過重時的較短時間內起作用，要求不高，可以選用P調節(jié)器或PI調節(jié)器，為減小穩(wěn)態(tài)誤差所以選用PI調節(jié)器。如圖2所示，正常情況下只有電壓環(huán)工作，限流環(huán)不工作，一旦輸出過流則電壓環(huán)停止工作，由限流環(huán)工作，通過減小輸出電壓將電流穩(wěn)定在限流值。

　　控制器參數設計

　　電路參數為：輸入Vin=500V，輸出電壓Vo=270V，諧振電感Lr=30uH，變壓器變比K=1.63，濾波電感 Lf=500uH，濾波電容Cf=470uF，負載電阻RL=30Ω。開關頻率fs=80kHz，參考電壓Vr=3V，PWM調制器鋸齒波幅值Vp=2.35V。

　　閉環(huán)反饋模式具體硬件電路如圖3所示，限流環(huán)調節(jié)器輸出端通過一個二極管與電壓調節(jié)器輸出端連在一起接至UCC3895內部的PWM波比較器同相輸入端，限流環(huán)調節(jié)器的輸出接到二極管的陰極。當電流達到限流值時，限流環(huán)調節(jié)器輸出電壓下降，低于電壓調節(jié)器輸出，二極管導通，將限流環(huán)調節(jié)器輸出接到PWM比較器同相輸入端并與載波信號比較產生占空比控制主電路開關管通斷，通過減小輸出電壓將電流穩(wěn)定在限流值，此時只有限流環(huán)起作用，實現恒流控制;當電流未達到限流值時，二極管不導通，由電壓環(huán)起作用，實現恒壓控制。