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摘要：本文基于高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了數(shù)字控制的功率直流開(kāi)關(guān)電源。首先介紹了該電源的原理及整體設(shè)計(jì)方案，其次介紹了部分關(guān)鍵電路的硬件設(shè)計(jì)，采用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制，給出了主程序及部分關(guān)鍵部分的程序流程圖。該電源具有輸出電壓連續(xù)可調(diào)、精度高、電路簡(jiǎn)單、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。
直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中(如電焊、電鍍或直流電機(jī)的調(diào)速等)，需要用到大量的電壓可調(diào)的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調(diào)節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開(kāi)關(guān)電源[1]效率高，小型化等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源逐步被直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。開(kāi)關(guān)電源主要的控制方式是采用脈寬調(diào)制集成電路輸出PWM 脈沖，采用模擬PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行脈寬調(diào)制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復(fù)雜[2]。本文設(shè)計(jì)了一種以ST 公司的高性能單片機(jī)μpsd3354 為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源，由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM 波，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大[3]。
系統(tǒng)硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。圖1為單片機(jī)控制功率直流電源結(jié)構(gòu)框圖。 
圖1 單片機(jī)控制功率電源結(jié)構(gòu)框圖
從圖1中可以看到，50Hz、220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來(lái)自電網(wǎng)的干擾，然后進(jìn)入到輸入整流濾波器進(jìn)行整流濾波，變換成直流電壓信號(hào)。該直流信號(hào)通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信號(hào)，高頻交流信號(hào)再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出[1]�？刂齐娐凡捎肞WM脈寬調(diào)制方式，由單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的PWM控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后，驅(qū)動(dòng)功率變換電路工作。利用單片機(jī)高速ADC轉(zhuǎn)換通道定時(shí)采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。電壓采集電路實(shí)現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流和短路故障時(shí)，保護(hù)電路對(duì)電源和負(fù)載起保護(hù)作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等提供直流電源。
3. 開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)
開(kāi)關(guān)電源主電路是用來(lái)完成DC-AC-DC 的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)主電路采用全橋型DC-DC 變換器，如圖2 所示。本系統(tǒng)采用的功率開(kāi)關(guān)器件是EUPEC 公司的BSM 50GB120DN2 系列的IGBT 模塊，每個(gè)模塊是一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個(gè)模塊。每個(gè)模塊內(nèi)嵌入一個(gè)快速續(xù)流二極管。 
圖2 功率直流電源主電路圖
4. 控制電路硬件設(shè)計(jì)
4.1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖
為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法(可采用改進(jìn)的PID 控制算法)設(shè)置單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)器件，調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅(qū)動(dòng)是至關(guān)重要的。驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護(hù)等功能。本系統(tǒng)采用富士電機(jī)公司的EXB系列的EXB841 型集成驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[4]。
4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉(zhuǎn)換
系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換被單片機(jī)接收。本系統(tǒng)采用CHV 系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354 單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，線路連接簡(jiǎn)單，精度最大為5mV。基本能滿足控制要求。
5.3 PID調(diào)節(jié)子程序
PID調(diào)節(jié)由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)對(duì)給定信號(hào)與反饋信號(hào)相減得到的誤差來(lái)計(jì)算調(diào)整量，用以控制開(kāi)關(guān)的占空比。算法中，做了一點(diǎn)修正，當(dāng)偏差與積分符號(hào)相反時(shí)，積分清零。因?yàn)槿舴?hào)相反，說(shuō)明積分項(xiàng)起了反作用，故把積分項(xiàng)清零[5]。PID控制流程圖如圖5所示，參數(shù)KP、KI、KD在調(diào)試過(guò)程中設(shè)定。
6. 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)電源與單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源。該電源精度高，電路簡(jiǎn)單，操作靈活，具有良好的應(yīng)用前景。單片機(jī)控制直流電源符合電力電子新技術(shù)產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。
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