基于数字化控制的开关电源的设计

1、基于数字化控制的开关电源的设计第一章 绪 论电子设备离不开电源，电源供给电子设备运作需要的能量，这就觉决定了电源在电子设备中的重要性。电源的质量直接影响电子设备的工作可靠性，所以电子设备对电源的要求日益提高。现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。这两类电源由于各自的特点而被广泛应用。线性稳压电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。他的缺点是要求采用工频变压器和滤波器，他们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，使电源的效率大大降低，一般情况不超过50%.但他的优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛的应用。相对线性稳压电源来说，开关电源

2、的优点更能满足现代电子设备的要求， 从 20 世纪中期开关电源问世以来，由于他的突出优点，使其在计算机、通讯、航天、办公和医疗领域等方面得到广泛的应用。开关电源的主要优点：效率高；可靠性和稳定性好；体积小；重量轻；对供电电网电压的波动不敏感；在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出。目前， 我国市场上所谓的数字式开关电源只有数字显示，其控制系统本质上还是采用模拟控制或者模拟与数字相结合的控制，核心技术还是没有本质的改变， 导致依然有着模拟系统的固有缺点。比如在调节微小变化量时，往往需要反复操作很多次才能比较准确地达到想要得到的输出值，在意外掉电时电源设定值会丢失。相对于模拟控制技术、数

3、字电源大大减少了在模拟电源常见的误差、老化、温度影响、漂移、 非线性不易补偿等问题，其稳定的控制参数使得产品个体无需精度调节即可获得很好的一致性，可靠性好。基于高速微处理的数字控制技术，除了具备数字控制技术本身的特点之外，由于其更快速的数据处理能力，还有其独特的优势，包括实现先进的控制算法、更好的优化效率、更高的数据采集精度和控制开光调节频率，更高的控制精度和可靠性，优秀的系统管理和互联网络监控功能。在今后相当长的一段时间内，集数控、 数显、 记忆功能一体的可调式开关稳压电源将成为主流，相关的技术研究领域也是电源技术工作者致力于研究的热点。开展集数控、数显、记忆功能、完善的保护措施于一天的可调

4、式开关电源技术的研究是有必要且具备重大应用价值的。1.1 数字化开关电源的研究现状及发展概况自从上世纪60 年代开关电源问世以来，相关技术有了飞速发展和变化，经历了几代功率半导体器件的应用、高频化和开关技术、开关电源系统综合集成的三大技术发展阶段。提升功率半导体器件高效性；提高开关电源功率密度；高频磁集成与同步整流技术的应用；模块化分布式电源设计等成为现代电源技术关注的热点。随着DSP、 ARM 等电子器件小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化，使开关电源的控制部分智能化、零件的共同化使得它能够灵活应对不同的客户的需求，这就可以降低开发周期和开发成本。依靠现代数字化

5、控制和数字信号处理新技术，电源控制成为一个新的发展趋势，已经逐步在功率变换设备中得到推广和应用，行业内部称采用数字控制技术的功率变换设备为数字电源。近年来，以数字信号处理器（DSP）为控制核心的大功率数字电源技术已经受到很多高校，电力电子技术专业机构和电源系统提供商的重视，形成了相关的研究课题，国外每年都有很多这方面的技术性论文发表，市场上也开始逐步推出；了全数字化的电源产品。时至今日，业界比较认同的是TI 公司从功能上对数字电源进行定义：数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供配置、监控和管理功能，并延伸到对整个回路的控制。也就是说，数字电源包括两部分：PWM 反馈回路的全数字控制；电源管

6、理与通信。而基于这一概念，自2005 年下半年开始，以“全数字控制回路”为特征的数字电源控制芯片开始出现，TI、 Silicon Labs、 Zilker Labs、等公司纷纷推出了产品，并且进入到高端AD/DC 电源设计中，标着着数字电源开始走如实际应用。目前数字电源技术还不十分成熟，实现全数字化控制还存在许多难点，有很大的突破，具体包括以下几个方面：曲需要1 数字信号处理器速度与高频开关的开关速度不对称。以普通的50KHzAD/DC变换器为例，开关周期仅为20uso要在这期间完成信号检测、控制方程 计算、 PWM 驱动信号生成这些复杂的任务，同时还要实现与整个系统的通讯，这就需要数字信号芯

7、片有极高的运行速度。单片机在速度上无法达到要求。目前用于电源控制的DSP芯片可以实现开关频率在100KHz左右的AD/DC变换器， 控制满足更高频率或者更复杂的控制仍将是十分的困难。2 变换器开关动作对采样的严重干扰。开关功率变换中的模拟控制器信号取样一般是连续进行的，而数字控制的采样是离散完成的，这就使得变换器的瞬间开关噪声对后者的影响更严重。高频功率变换器本身的开关噪声发生时刻与信号采样时刻往往是不容易错开，采集到的信号不能用来进行有效的控制。由于在一个开关周期内仅仅来得及采样一两次，对于那些需要快速发反应的信号来说，模拟和数字滤波的方法均难以应用。因此， 必须探索符合开关功率槟变换技术特

8、点的新的有效采样方法及控制方法。3 检测信号的量化误差导致输出响应极限环振荡，从而大大降低控制精度。4 高速运行下数字PWM 分辨率急剧下降。在数字化控制中，PWM 的脉宽时间分辨率取决于控制器的指令周期与开关周期的比值。仍以普通 50KHzAD/DC 变换器为例，若微控制器运行速度20MHZ, 则 PWM 调节的最高分辨率为1/400。这一分辨率即使不考虑极限环的影响，往往也不能满足控制器的要求。如果分辨率要求达到16位，则微控制器的时钟频率将需要 3.28GHZ以上。因此， 在不断提高微控制器本身的时钟频率外，必须探索新的提高PWM 分辨率的方法。1.3 课题的研究意义在开关稳压系统中应用

9、最新的开关电源芯片、单片机微控制器、信息处理、信号检测等技术，使传统的开关电源技术与先进的信息处理技术融合在一起，从而可以改变传统开关电源行业技术含量低的状况，实现全数字化的电源稳压的智能管理。 由于系统所需要的实现功能主要是通过软件进行设置，因此还具有电路软件机构简单，成本低， 很高灵活性和功能可扩充性，能极大的提高系统产品的核心竞争力。从学术研究方面上看，使传统的开关稳压技术与现代先进的智能控制融合在一起， 近年来一直是国内外的研究热点，代表着电源领域的主流技术和先进技术，代表着开关电源的发展趋势。这些正是本论文的研究目的和意义所在。1.4 课题的主要研究内容本论文需要设计能够用继电器控制

10、开关电源，结合单片机控制方式和数字信号处理芯片DSP 的控制方式，实现电源智能化开关。随着医学电子技术的高度发展， 医疗设备的种类也越来越多，医疗设备与现代医疗诊断、治疗关系日益密切， 任何医疗设备都离不开电源。数字化控制的电源便于管理和控制，在实际应用中更加方便。本论文设计的结构安排如下：第一章叙述了课题的研究背景，数字化电源开关的研究现状及发展概况和课题的研究意义。第二章介绍了数控开关电源的概念、特点、开关稳压电源的类型、开关电源的几种控制方式及优缺点等，还阐述了模拟控制与数字控制的比较，数字控制的优势。第三章第四章最后结论第二章认识数控开关稳压电源2.1 数控开关稳压电源的概念开关电源是

11、相对线性电源来说的。所谓的开关电源是指该电源中的调整管工作在截止区和饱和区。调整管截止时，相对于机械开关的断开，调整管饱和时，相对于机械开关的闭合。这种起开关作用的三极管就叫开关管，而利用开关管来稳定电压的电源，就称为开关稳压型电源。再利用微处理器，比如单片机来实现控制电路，实现对电压的数字控制和显示。2.2 开关电源的特点1 稳压范围宽开关电源的稳压范围宽。当电网电压在130V 260V 范围变化时，开关电源仍能获得稳定的直流电压输出。而普通串联型稳压电源允许电网电压变化范围一般为190V 240V。2 功耗小、功率高开关电源的调整管工作在开关状态。在开关饱和导通时，C、 E 极两端的压降接

12、近于零；在开关管截止时，集电极电流为零。因此调整管功耗很小。而普通串联型稳压电源的调整管工作在放大状态，流过的电流大（即负载电流），管电压也比较大，所以调整管功耗大。开关型稳压电源比普通串联型稳压电源的功耗低40%左右。3 体积小、重量轻开关电源是直接对交流220V 电压整理、滤波、然后有开关调整管稳压输出，不需要笨重的电源稳压器，因此具有体积小，重量轻的优点。4 整机的稳定性和可靠性提高由于卡关电源的功耗小，使机内温升降低，整机的稳定性与可靠性极大的提高， 又避免因温度损伤元器件。而且开关电源可方便地设计过压、过流保护电路、 一旦电路发生过压、过流故障，保护电路能制动地使开关电源电路停止工作

13、，从而防止了故障范围的扩大。5 易于实现多路电压输出和遥控开关电源可借助储能变压器用不同匝数的二次绕组获得不同数值的输出电压， 而且各输出电压之间不会产生相互干扰。另外， 可通过控制调整管的工作状态，来实现对电源电路的遥控，以达到遥控关机的目的。6 .3 开关稳压电源的类型1、按输入和输出电压的大小划分：降压式开关稳压电源升压式开关稳压电源2、按功率开关的连接方式划分：单端正激式与单端反激式半桥式和全桥式3、按储能电感的连接方式划分：串联型开关稳压电源电路并联型开关稳压电源电路4、按激励方式划分：它激式开关稳压电源自激式开关稳压电源7 .4 开关电源的控制方式7.1.1 脉宽调制技术脉宽调制技

14、术（PWM）的发展已经经过十多年的时间，其技术已经十分成熟。 其机构电路简单，控制方式简便，目前已经出现了大量专门的脉宽调制器。运用PWM 技术的变换器一般频率都是30KHz 左右，选用的开关功率管一般也是MOSFET 居多。在这个实际应用层面上，所设计的产品无论在质量、可靠性、产品价格还是在重量上都可以说达到了完美的程度。PWM 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。但是 PWM 技术有其固有的缺陷，这些缺陷已经限制了它的进一步发展。 其主要缺点主要变现在以下 几个方面：1）功率管在开通和关断的过程中，电流和电压的波形重叠，产生了 开关损耗，并且这个损耗随着开关频率

15、的增加和设计产品的容量的增加而增加； 2）电路中的寄生参数没有处理，寄生电感和寄生电容在高频时会产生巨大的电 压尖峰和浪涌电流。开关损耗是由于电流电压的重叠， 二者的乘积就是损耗，不 让这二者重叠问题就有可能得到解决。寄生参数的问题是否可以考虑在电路设计 里面融入这二者，使得寄生电感和寄生电容成为电路可靠工作的一部分，这样二者问题也有可能得到解决。7.1.2 谐振变换技术谐振变换器就是利用谐振原理使开关两端的电压或者电路在一个周期的某个 时间段呈正弦规律变化，电压和电流波形错开，使得电路具备了ZCS或者ZVS的变换条件，使得功率管自然导通或者关断。在零电压或者零电流田间进行导通 和关断状态的转

16、换使主功率管在开通和关断的过程中损耗将大为降低。一般的准谐振电路分为如下几种：第一种是零电压开关谐振电路（ ZVS QRC）;第二种是 零电流开关谐振电路（ZCS QRC）;第三种零电压开关多谐振电路（ZVS MRC） 等。图2-1给出了上述三种谐振电路的基本开关单元。3）承电公开养/懵报电降壬本开关单元 bj本电调开关事语城电路去本开关单元 CJ零电压开关手说艳电路星本开关单元图2-1准谐振电路的基本开关单元7.1.3 软开关技术为了使开关电源能够在高频条件下能够以更高的工作效率稳定地运行，自20世纪70年代以来国际电力电子技术学界在不断地研究开发开关技术。所谓的“软开关”指的是足零电压开关

17、（ZVS）,或者零电流开关（ZCS） 它利用谐振原理使得通过开关变换器的电流（或者电压）按照正弦或者准正弦规律变换，当开关管电流自然过零时，使开关关断；或者开关电压为零时，使开关 导通，从而使得开关器件上的开关损耗为零。在原开关也终中德加很小的电寓.电衣等 懵根元件，构成相助携洸网络1在开关速 程番后打入潸猴比挂，开关开通前电压阵 无毒,前善防前电流,常为零可词除开开 过程中中电名、电诧的重叠，减/，甚至自 蚣强蛇花开关曝黄就开关的关新之需本电任开美r奉电压开通j >使开美开通皙其再造电压为奉，组开关开通时就不会产生损耗粉嗨毒孝电流开美r学电流关斯，> 使开奔关朝甭抖飒次为军,时开

18、关关新时也不会产生楣担和染力零电见美新> 与开关外联畸电承能是馥开关关断后也在上升的速及p蜂低关新城起军电流开通> 与开关聿联妁包思能延统开关开通后也旋上升的速度，降低开通布机运用软开关技术的变换器是 PWM和准谐振变换器的整合体。因此它具备 了二者共同的优点：(1)谐振过程只发生在开关管的开通或者关断阶段， 这样既保证了功率管 的软开关条件，又使功率管承受较小的电压或者电流的应力；(2)能量传输的方式主要吸取了 PWM变换器的优点，减小了谐振通态的损耗；（ 3） ZCS 和 ZVS 开关条件是不受输入条件或者负载波动的影响，在一定意义上来说这就可以适用于任何传统的PWM 变换器。

19、2.5 模拟控制与数字控制的比较开关电源控制实现方式分为模拟控制和数字控制。模拟控制有其固有优点，诸如电路成熟、应用方便、实时性好等。所以在对开关电源性能要求不是恨到的情况下得到了广泛的应用。传统的开关电源采用模拟控制电路，但模拟控制电路存在一下缺点：1 模拟控制因采用大量的分散原件和电路板，导致硬件成本高，系统可靠性下降；2 模拟器件易老化切无法克服温度漂移，导致电源输出性能下降，甚至导致输出失败；3 产品升级换代困难。模拟控制开关电源若要升级，就必须得改动硬件，每一个新型的开关电源都有要求并重新设计、制造控制系统；4 模拟控制人机交互界面差，对电源监控功能有限，一旦出现故障，技术人员须到现

20、场处理。随着大规模集成电路ASIC、现场可编程逻辑控制器件FPGA及数字信号处理器 DSP 技术的发展，开关电源的控制逐渐有模拟控制转向数字控制，即数字化方向发展。开关电源实现数字化具有一下优势：1 数字控制易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得开关电源的智能化程度更高，性能更加完美。2 控制系统灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期。数字控制系统的控制方案集中体现在控制程序上，而微处理器一般都具有丰富的片内资源。硬件资源配置确定后，只需要通过修改控制软件，就可以提高原来的控制系统性能，或者更具不同的控制对象实时、在线更换不同的控制策

21、略软件。3 控制电路的元件数量明显减少，因此缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力。4 控制系统的可靠性提高，易于标准化。由于数字控制的高可靠性，必然 使整个控制系统的可靠性提高，而且看样子针对不同的系统（或不同型号的产品） ，采用统一的控制控制板，只是对控制软件作一些调整即可，这对于厂家而言，无疑有着巨大吸引力。5 系统的一致性较好，生产制造方便。由于控制软件不会像模拟控制器件哪样存在差异，所以，对于同于控制程序的控制板，其一致性是很好的，也没有模拟系统中模拟器件调试带来的差异问题。这样， 同一号控制板的性能一致性就会比模拟系统高很多。2.6 本章小结本章是数字开关电源的基础，主要介绍了开

22、关电源的概念、特点、 开关稳压电源的类型、控制方式的种类的优缺点等，还对数字开关电源与传统模拟开关电源进行了比较，阐述了数字控制的优势。第三章 控制电路设计方案3.1 系统设计本文设计的要求是能够用继电器对医疗设备电源的数字化控制，便于对电源在系统设计中要用到继电器的工作原理。本文选用电磁继实现对电源数字化控制。电磁继电器的结构与工作原理如下图所示：控制电路工作电路结构由低压控制电路和高压工作电路组成。控制电路：低压电源、开关、电 磁铁。工作电路：高压电源、触点、用电器。工作原理：电磁铁通电时，把衔铁吸下来使触点接触，工作电路闭合。电磁 铁断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路。继电器

23、是利用低电压， 弱电流电路通断来间接控制高电压， 强电流电路的装置。所以可以利用电磁继电 器的原理来设计一个电磁继电器对电源数字化的控制装置。3.2 控制系统的设计控制系统是本文设计的关键，能否实现数字化的控制主要是控制系统的 设计，控制系统设计如下图：系统框图3.3 人机交换界面的设计人机交互装置背面如下图所示：通讯口 I通讯口2人机交互装置机构如下图通讯电缆:通讯电缆PLC或编程计算机人机交互装置工作过程，从上面的结构图中，我们可以了解人机交互装置的 工作过程：首先，我们通过专用的程序按要求设计好界面， 然后通过计算机的通讯口把 界面储存在人机交互装置的储存器中。当人机交互装置运行后，就可

24、以按照要求显示界面，处理输入信息。同时， 装置通讯口不停的和 PLC进行通讯，读取数据或写入数据。这样，装置就可以 实时的显示PLC数据或控制PLC。3.4 本章小结本章主要阐述了设计的方案，系统设计，人机交换界面的设计。利用继 电器的作为主要元件，同时结合单片机技术，实现其控制。第四章 控制系统软件设计4.1 软件设计的体方案基于DSP数字控制系统的软件设计，软件设计是数字化控制的电源过程中 非常重要的环节。课题采用结构化的程序设计技术，使用C语言编写软件程序，运用CCS代码调试工作进行程序调试。机构化设计是一种组合任务时避免混乱的一中程序设计技术，就是使得任务 能够分模块，分块进行。因为任

25、何程序逻辑都可以运用顺序、选择、循环这三中 基本机构的重合、组合、嵌套来实现目的。因此，任何一个复杂的求解过程最终 都可以转化成结构化的程序设计模式来解决问题。模块化是实现结构化程序的实际剧本方法。单个模块化指的是程序系统的一 个机构单位，在语言环境中变现为子程序、过程、函数等形式。在结构化的程序设计中， 往往把一个大的程序分割成多个模块，把这些模块按照层次关系进行组织，这样一个大的程序就会转化设计一个个小的模块，降低了系统设计的难度。模块化设计的程序结构良好，各个模块之间的关系简单，每个模块均有自己具体的基本任务单元组成，各个模块的运行相对独立，彼此不受干扰，便于查错，使得程序的可读性增强也