實現(xiàn)一種數(shù)字可調(diào)的升壓型開關(guān)電源的設(shè)計方案

　　儲能電感的選取，可根據(jù)：

　　設(shè)計過程中，設(shè)置紋波電流△iL=O．4 A，計算得到L數(shù)量級為l mH，實際調(diào)試后取電感為0．79 mH。[next]

　　3 軟件設(shè)計

　　選擇CPLD和51系列單片機(jī)組合設(shè)定數(shù)字控制和輸出電壓步進(jìn)。用單片機(jī)控制整個系統(tǒng)。軟件設(shè)計除設(shè)定初始電壓值，還包含PID算法程序，以及調(diào)整PWM占空比。可編程邏輯器件CPLD可直接生成PWM波控制開關(guān)管驅(qū)動器。

　　3．1 PWM波產(chǎn)生

　　PWM波的產(chǎn)生采用Verilog HDL硬件描述語言在CPLD中實現(xiàn)。信號頻率設(shè)定為40 kHz，采用DDS方式步進(jìn)頻率可精確至1 Hz。使用QuartusⅡ自帶的工具生成PLL器件，將外界晶體振蕩器輸入的頻率倍頻至100 MHz。由DDS公式，可得：

　　式中：k為累加系數(shù)；Fin為輸入頻率；n為計數(shù)器位數(shù)。

　　當(dāng)鍵盤鍵入所需電壓U0，單片機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)化為占空比DY=1一(Ui／U0)。累加器開始累加時輸出高電平，當(dāng)DY達(dá)到計數(shù)值時變?yōu)榈碗娖?，最終可得精確頻率下占空比可調(diào)的PWM控制信號。

　3．2 PI控制算法

?為通過反饋調(diào)節(jié)控制信號實現(xiàn)穩(wěn)壓，系統(tǒng)軟件設(shè)計中加入了PID控制算法，即單片機(jī)中將給定電壓值與采樣反饋電壓值比較，利用偏差的比例、積分、微分線性組合調(diào)整PWM信號的占空比，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓。常用的PID算法形式為：

式中：KP、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；e(k)為偏差；u(k)為所需控制信號的調(diào)整值。

　　該系統(tǒng)設(shè)計選擇PI算法(PID算法的一種簡單形式)，即令Kd為零，只考慮比例系數(shù)和積分系數(shù)。因此，系統(tǒng)穩(wěn)壓控制的優(yōu)劣取決于參數(shù)Kp、Ki。Kp 越大，系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏，但Kp偏大會導(dǎo)致輸出振蕩大，調(diào)節(jié)時間延長，所以應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。積分系數(shù)的運(yùn)用可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。PI算法流程如圖3所示。圖3中引入了積分分離式算法，減少積分校正對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。即在控制開始階段或電壓值大幅度變化時，取消積分校正；而當(dāng)實際電壓值與設(shè)定值的誤差小于一定值時，恢復(fù)積分校正作用。積分分離式算法既保持積分作用，又減小超調(diào)量，改善控制系統(tǒng)的性能。經(jīng)實驗確定，可實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

　　3．3 仿真驗證

　　Simulink是MATLAB提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模仿真的一個軟件包。采用powersystem庫模型，將系統(tǒng)設(shè)計的仿真電路連接如圖4所示。脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生固定頻率和占空比方波，控制MOS開關(guān)管。電流和電壓測量器將模擬的電流和電壓量化送至示波器。仿真中器件參數(shù)根據(jù)實際設(shè)計選?。狠斎腚妷簽?18 V，開關(guān)管的控制脈沖(PWM波)頻率為40 kHz，占空比60％，電容取2 200μF，電感為1 mH，電阻為18 Ω。得到的電流電壓波形圖如5所示。通過仿真可看出，在不考慮損耗時電壓可以升36 V以上，電流也可以達(dá)到2．4A；在實際電路中因存在損耗，通過調(diào)整占空比達(dá)到了輸出電壓30～36 V步進(jìn)調(diào)整．最大輸出電流2 A。

　　利用Boost電路實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的升壓轉(zhuǎn)換，采用CPLD和單片機(jī)完成數(shù)字控制，軟件編程得到PWM信號，通過調(diào)整占空比實現(xiàn)輸出電壓數(shù)字調(diào)節(jié)。而運(yùn)用PI算法則是本系統(tǒng)設(shè)計的亮點，完美實現(xiàn)了寬輸入，穩(wěn)壓輸出。