基于占空比調(diào)節(jié)的電壓型pwm控制器

基于占空比調(diào)節(jié)的電壓型pwm控制器

0tl494為數(shù)控機(jī)床控制器隨著電子能源技術(shù)的日新月異，對(duì)設(shè)備的電源要求越來越嚴(yán)格。在各種類型電源中開關(guān)電源以其穩(wěn)定性、高效性和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的應(yīng)用。各種開關(guān)技術(shù)又以PWM技術(shù)為主,通過改變脈沖占空比調(diào)節(jié)輸出電壓,達(dá)到輸出穩(wěn)定。TL494是一種性能優(yōu)良的電壓型PWM控制器。電壓型PWM控制器的原理是將電源輸出電壓Uo與基準(zhǔn)值比較,得到誤差電壓Ue,該誤差電壓送入調(diào)節(jié)器,由調(diào)節(jié)器輸出控制電壓U,控制電壓與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較,改變PWM的輸出占空比,進(jìn)而控制開關(guān)管的通斷改變輸出電壓。本系統(tǒng)利用TL494作為電源核心控制器件,通過對(duì)輸出電壓采樣,經(jīng)計(jì)算后利用單片機(jī)給出控制電壓,調(diào)節(jié)TL494輸出占空比,從而控制后級(jí)Boost升壓電路的輸出,構(gòu)成反饋回路達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。1反饋和保護(hù)電路系統(tǒng)由主回路、反饋回路、保護(hù)電路、人機(jī)交互等部分組成。主回路包括隔離變壓器降壓部分、整流橋路整流部分以及DC-DCBoost升壓部分。反饋回路則包括電壓電流采樣部分、小信號(hào)放大部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、控制電壓輸出部分。保護(hù)電路包括電壓電流檢測及保護(hù)等電路。人機(jī)交互則包含鍵盤、顯示器控制部分。系統(tǒng)的整體框圖如圖1。2主要道路設(shè)計(jì)2.1開關(guān)管關(guān)斷與開通交替本系統(tǒng)采用Boost電路進(jìn)行DC-DC變換。利用調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來控制輸出電壓。開關(guān)管關(guān)斷與開通交替進(jìn)行,電感L將交替的存儲(chǔ)和釋放能量,電感L儲(chǔ)能后使電壓上升。而電容C則將輸出電壓保持平衡,輸出輸入電壓關(guān)系為:Uo=Uin(ton+toff)/toff。只需要通過改變開關(guān)管通斷占空比即可得到所需輸出電壓。其原理圖如圖2。2.2控制端電路組成TL494內(nèi)置5V基準(zhǔn)電壓參考源,5腳6腳外接電容與電阻,可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)鋸齒波后送比較器比較進(jìn)而產(chǎn)生一定周期的振蕩信號(hào),振蕩器頻率為fosc=1/RTCT。4腳為死區(qū)時(shí)間控制端,13腳為輸出方式控制端。芯片內(nèi)部包含兩個(gè)相同的誤差放大器,輸出端經(jīng)二極管隔離后送至比較器同相端,與反向端鋸齒波電壓相比較,并決定輸出電壓的寬度。調(diào)寬過程由3腳的電壓控制,也可經(jīng)誤差放大器進(jìn)行控制。兩個(gè)放大器可獨(dú)立使用,用于反饋電壓和過流保護(hù)。本應(yīng)用電路中TL494的3腳和13號(hào)腳接地,2腳和3腳之間接51kΩ的電阻,1腳作輸入端。5腳6腳分別接1000pF的電容和2.7kΩ的電阻,產(chǎn)生50kHz的振蕩頻率,過流保護(hù)措施采用15腳接電阻分壓16腳接入動(dòng)作電壓值即可。其實(shí)現(xiàn)電路如圖3。2.3專用驅(qū)動(dòng)芯片開關(guān)管驅(qū)動(dòng)選用IR公司MOSFET專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110如圖4所示,輸入信號(hào)為TL494輸出的PWM信號(hào),其輸出信號(hào)則可直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。2.4精確采集采集由于電流很小時(shí)經(jīng)過A/V轉(zhuǎn)換后的電壓值很小,此時(shí)需要經(jīng)過放大后才能精確采集。此處選用PGA程控放大的方式,使采集信號(hào)放大0～1000倍,保證小電流和大電流均可通過程序控制采得。2.5d/a轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換器的選取直接關(guān)系到系統(tǒng)的輸出精度和閉環(huán)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定度,此處選用Maxim公司的串口16位高精度D/AMAX5441作為D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)TL494輸出控制電壓。而采用MSP430F449有12位A/D轉(zhuǎn)換器,可滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度要求并且可以降低成本、簡化電路。3選擇和參數(shù)計(jì)算設(shè)備3.1電池放電穩(wěn)定性開關(guān)場效應(yīng)管及肖特基二極管的選擇:功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)需要考慮保護(hù)、隔離等問題。IRF540是電壓控制型器件,靜態(tài)時(shí)幾乎不需要輸入電流,但由于柵極輸入電容Cin的存在,在開通和關(guān)斷過程中仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流來給輸入電容充放電。柵極電壓UG的上升時(shí)間tr采用放電阻止型緩沖電路來確定。其緩沖電路的電容Cs和電阻Rs的選擇原則是MOSFET在關(guān)斷信號(hào)到來之前,將緩沖電容所積累的電荷放凈。如果緩沖電路電阻過小,會(huì)使電流波動(dòng),MOSFET開通時(shí)的漏極電流初始值將會(huì)增大。輸出濾波元件決定了電源的穩(wěn)定性,是DC-DC變換器設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵部分。重點(diǎn)是要選擇兩個(gè)元件,一個(gè)是輸出電感L,另一個(gè)是輸出電容C。影響電源穩(wěn)定性的最關(guān)鍵參數(shù)是輸出電容的ESR,一般越小越好。電容的數(shù)據(jù)手冊(cè)一般都會(huì)給出電容的最大ESR,而最小ESR通常為最大ESR的40%～60%?？梢酝ㄟ^多個(gè)電容并聯(lián)的方法來降低ESR提高電路的瞬態(tài)響應(yīng)。此外,在選擇電容的時(shí)候,電容的溫漂也要適當(dāng)考慮。濾波電容CB=Ιo(Uo-Uin)UofΔUo?ΔUoCB=Io(Uo?Uin)UofΔUo?ΔUo取20mV。則CB取值為2200μF。為減小輸出的電壓紋波,可在輸出電壓端并聯(lián)多個(gè)低等效電阻的電解電容。電感:由公式:LB=U2in(Uo-Uin)mΙofU2oLB=U2in(Uo?Uin)mIofU2o,電感取值為280μH。占空比:輸出電壓變化范圍30～36V,由公式:Uo/Uin=1/(1-D)可計(jì)算出占空比變化范圍為0.109～0.4697。3.2開關(guān)管及電路損耗的計(jì)算在U2=18V,輸出電壓Uo=36V,輸出電流Io=2A的測試條件下。由系統(tǒng)的額定功率Po=72W,為使效率達(dá)到90%以上則要求輸入功率為80W,允許損耗的功率為8W。電路的功率損耗主要有開關(guān)損耗、電感儲(chǔ)能損耗、整流二極管損耗、數(shù)字電路損耗。(1)開關(guān)管的損耗包括開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗。開關(guān)管的損耗直接與開關(guān)頻率有關(guān)系,其功率損耗的計(jì)算公式為Ρ=Ι2RΤonf+0.5×2∫50i2Rf。取Ton=T/2,f=50kHz。則開關(guān)管的損耗約為1.5W。(2)肖特基二極管的損耗。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)流過二極管的電流等于電感電流,約為Io=Iin=3.86A。為降低損耗可以采用雙管并聯(lián)的方式,每只二極管的電流約為1.8A,對(duì)應(yīng)其UD=0.42V。二極管導(dǎo)通損耗PD=IOUDD=1.4W。(3)儲(chǔ)能電感損耗。儲(chǔ)能電感損耗公式如下:PIND=PCu+PFe=I2rmsRe+ΔBm。其大致功率為1.1W。(4)數(shù)字電路的損耗包括D/A、單片機(jī)、LCD、TL494和IR2110以及采樣電路等元器件的工作損耗。計(jì)算其損耗大致為1W。經(jīng)計(jì)算可得到系統(tǒng)功率損耗約為5W,其效率甚至可達(dá)到93.6%。4d/a輸出保護(hù)系統(tǒng)初始化完畢后輸出30V直流電壓,然后等待鍵盤中斷。若檢測到有輸入值則單片機(jī)通過控制D/A的輸出調(diào)節(jié)輸出電壓,然后顯示出此時(shí)系統(tǒng)電壓電流。若沒有中斷則顯示當(dāng)前電壓電流。若檢測輸出過壓或過流,則跳入保護(hù)程序。程序流程圖如圖5。5實(shí)際輸出率測試設(shè)計(jì)的開關(guān)電源系統(tǒng)測試結(jié)果如下:(1)輸出電壓可調(diào)范圍測試(負(fù)載RL=45Ω)經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本電路輸出范圍可達(dá)到30～36V,步進(jìn)0.5V。設(shè)定值與實(shí)際輸出值對(duì)應(yīng)表如表1。(2)負(fù)載調(diào)整率(U2≈18V,UO≈36V)見表2。負(fù)載調(diào)整率S1≈(36.04-35.55)/36=0.25%。(3)電壓調(diào)整率(Uo=36V,Io=2A)見表3。則電壓調(diào)整率計(jì)算得Su≈(36.09-36.05)/36=0.