数字开关电源范文（精选9篇）
数字开关电源 第1篇
随着现代科技事业的发展,电器设备的精度提高、可靠性加强,智能化和数字化的实现,开关电源正朝着高精度、智能化、数字化的方向发展[1,2,3]。开关电源通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压的稳定,具有体积小、重量轻、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等特点[4,5,6,7]。
本文采用SAMSUNG公司的SC344B0X 的ARM7芯片设计了一种智能化、数字化的可调开关直流电源,对电源主电路实现了全数字控制,输出电压可调,并提高了输出电压的精度和稳定度。控制算法通过软编程可以使系统升级,也便于用户根据各自的需要灵活地选择不同的控制功能。
1 电源系统的总体设计
电源系统的设计要求是:工频电源交流220 V输入,直流电压可调输出10~2 000 V,输出电流小于100 mA,用户可以使用键盘随时更改输出电压,显示屏上显示当前的工作状态。根据要求设计的电源系统由电源电路和控制电路两部分组成,如图1所示。
电源电路部分主要包括整流滤波、BUCK变换器、推挽式直流变换器、滤波器,把工频电源转化成所需要的直流电源。控制电路部分主要包括ARM7控制单元、电压分压反馈取样、键盘/显示,根据用户的输入参数来调整输出的直流电压,并把当前的工作状态显示出来。EMC保护用来消除工频电源中的噪声干扰,保护系统电路不被损坏。
2 电源电路部分的工作原理及设计
2.1 整流滤波及BUCK变换器的设计
整流滤波把工频的交流电源变成直流电源,其电路如图2所示,输入/输出的波形如图3所示。为了提高整流效率,采用全桥整流,整流桥硅使用性价比高的KBP3510,2个400 V的47 μF电容并联,输出直流电压Uo约为300 V。
BUCK变换器又称降压变换器,它是ARM根据当前输入的参数和反馈电压,产生 PWM1, 使用IGBT集成驱动器来驱动主电路中的IGBT,由于占空比的变化控制了输出电压的值,电路如图4所示。BUCK变换器必须工作在连续工作状态,则电感L的临界值为
2.2 推挽式直流变换器及滤波器的设计
由于电源的输出功率小于200 W,采用推挽式直流变换器可以满足此要求。如图6所示,S1和S2是IGBT,它们交替导通,每个开关导通比为50%,S1,S2导通分别由PWM2,PWM3控制,PWM2,PWM3是ARM给出的控制信号。S1,S2的作用是在高频变压器T的初级产生对称的交变方波,当S2导通(S1截止)时,T的磁芯中磁通上升,当S1导通(S2截止)时,T的磁芯磁通下降。在次级产生一个变电压,经D1,D2整流后,便得到直流的输出电压Uo2,在理想状态下
在高频上,变压器通常采用导磁较高的铁氧体磁芯或铍莫合金铁芯等磁性材料,其目的是为了获得大的励磁电感,减小磁路中的功率损耗,使之能以最小的损耗和失真传输具有宽频带的脉冲能量。本文采用PQ型铁氧体磁芯,内芯为圆柱,绕线方便同时也便于绕成蜂房式线圈以减小分布电容,且没有棱角,高压时不易打火击穿,次级边的匝数不超过2 000圈,初、次级的匝数比为1∶12。
由于高压变压器的匝数多,初次级之间的耦合度较强,且寄生电容大,它的输出波形接不连续,波形如图7所示。因此输出的电压要有滤波器,才能得到比较稳定的电压。滤波器的设计如图6所示,电容耐压3 kV,容量为470 pF。
3 ARM控制系统及其软件实现功能
该系统采用的ARM是SAMSUNG公司的SC344B0X芯片,是一款低价格、高性能的ARM芯片,拥有出色的外设模块 ,适用于工业控制、 生物识别、多媒体监控、网络流媒体和智能电器等[8,9]。其主要特点有:
(1) ARM7TDMI内核,支持Thumb(16位)/
ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;带有8 KB高速缓存器,主频可达66 MHz;
(2) LCD控制器,可以支持256色STN,且LCD有专用DMA;
(3) 5个PWM定时器,1通道内部定时器;
(4) 16位看门狗定时器;
(5) 8通道10位ADC;
(6) 71个通用I/O口,8通道外部中断源。
采用SC344B0X所设计的系统,几乎所有的指令都可以在20 ns内完成,配合强大的指令运算功能,很容易实现各种控制算法及高速采样,为了减小系统的静差,采用了闭环来实现对整个系统的控制。
该电源系统中ARM的主要功能及软件实现如下:
① 产生PWM波。PWM1用于对BUCK电路中的IGBT的驱动。根据输出采样,设定和调整定时器中周期寄存器的值和比较寄存器中的值来改变输出PWM1波的周其期和脉冲宽度。PWM2,PWM3设定周期为50 kHz的彼此交互的方波。
② 实时采样。采用SC344B0X 中集成的8路10位的ADC 转换电路实现电压、电流实时采样,每一通道的最小转换时间为500 ns,通过采样模块MAX122,将采样信号转换为2407 的ADC 所需的0~3.3 V电平,在1个开关周期中,将采样80 次(开关频率为50 kHz),采样后,通过软件编程调整驱动BUCK中电路中的IGBT管的PWM1 波形,达到稳压的目的,同时当输出电压、电流过高或欠压时,ARM调用相应的子程序来处理突发事件,起到保护作用。
③ 软件编程时设置看门狗电路防止死机。
4 结 语
本文在上述分析的基础上,设计出一台基于ARM智能数字控制技术的开关电源。电源的指标满足性能要求:输出电压连续可调、纹波系数低于0.5%、输出电压稳定度小于0.3%。该电源现已投入使用,运行良好。
参考文献
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数字控制UPS电源技术及应用 第2篇
传统的UPS采用模拟电路控制，对于生产厂家和用户而言，无论是相控技术还是SPWM技术，模拟控制存在诸多局限性。随着信息技术的发展，高速数字信号处理芯片（Digital Signal Processor, DSP）的出现，使得数字化的控制在更广阔电气控制领域中应用有了可能性，也成为主要发展趋势之一。
一、数字控制UPS的应用优势
有了高速数字信号处理芯片的支持，采用数字化的控制策略不仅可以较好的解决UPS电源模拟控制里的有关问题，而且还增加了UPS电源模拟控制中很难实现的一些控制功能，其主要应用优势有：
（1）数字化控制可采用先进的控制方法和智能控制策略，使得UPS的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自动控制的最新发展阶段，继承了人脑的定性、变结构、自适应等思维模式，也给电力电子控制带来了新的活力。在高频开关工作状态下，逆变电源的模型更加复杂化，这是模拟控制或经典控制理论难以有良好控制效果的，而采用先进、智能化的数字控制策略，就可以从根本上提高系统的性能指标。
（2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必对硬件电路做改动。数字控制系统的控制方案体现在控制程序上，一旦相关硬件资源得到合理的配置，只需要通过修改控制软件，就可以提高原有系统的控制性能，或者根据不同的控制对象实时、在线更换不同控制策略的控制软件。
（3）控制系统可靠性提高，易于标准化。由于数字控制的高可靠性，必然使得整个控制系统可靠性的提高，而且可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只需要对控制软件做一些修改即可，这对生产厂家而言是有着巨大的吸引力的。
（4）系统维护方便，系统一旦出现故障，可以很方便地通过RS-232或RS-485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试。这样就可以以较低的成本完成自我校正及远程服务，给厂家的售后服务带来了极大的方便。
（5）系统一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不会像模拟器件那样存在差异，所以对于同一控制程序的控制板，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，那么同一控制板的一致性就会比模拟系统高很多。采用了软件控制，就实现了硬件软件化，使控制板的体积大大减小，生产成本下降。
（6）易于组成并联运行系统。由于单位UPS系统均是数字控制，有相应的控制变量代表系统中的状态量，那么就可以较方便地获得均流所需要的信息，利用相应的均流算法实现UPS的并联运行系统。
二、DSP控制的UPS工作流程
DSP控制的数字式UPS电源的工作流程是：当市电正常，输入电压、频率在允许的范围时，PFC部分对输入进行功率因数校正，使得该系统的输入功率因数为0.98左右，同时避免对电网产生污染，输入的市电经PFC环节变换得到400V直流输出电压，为后面的逆变电路提供能量。同时DC/DC部分仍然在正常工作，只是由于电池电压经过DC/DC电路变换得到360V输出电压，略小于市电经PFC变换得到的直流母线电压，这样通过二极管就将它和直流母线隔离，DC/DC部分空载运行，处于热备用状态。当市电不正常时，市电掉电或者输入电压、频率不在允许的范围时，市电经PFC得到直流母线电压迅速降低，当低于360V时，二极管导通，使得直流母线电压维持在360V,此时逆变器得到的能量是由电池电压经由DC/DC电路变化得到的直流母线电压。无论市电是否正常逆变部分均可以正常的工作。一般蓄电池可提供几分钟到几十分钟的后备供电时间，大容量的电池组的后备供电时间可以达几个到几十个小时，对于备有柴油发电机的用户，可以在市电停电5~10秒之内把柴油发电机投入到UPS电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的正弦波电源。经处理以后的市电同时还送给市电电压/流相位测量电路，产生市电电压信号和相位信号，供微处理器电压/流测量和同步锁相之用。这样就实现了对负载的不间断供电功能。
三、DSP控制的UPS组成结构
UPS要实现数字化控制，那么用更多的模拟器件才能实现的控制功能和算法就可以通过DSP的软件的编程来实现，所以整个UPS的结构就相比较用模拟器件的实现的UPS的整体结构要简单得多。如图1所示下面就是数字化的UPS的整体框图。主要由输入功率因数校正、逆变部分、DC/DC等组成。
四、DSP控制的UPS关键电路结构
（1）UPS的功率校正电路
输入功率因数校正电路如图2所示主要由功率管T5、电感L1、二极管D1、电容C1组成。它为输入部分提供功率因数校正功能，并且提升电压至400V.（2）正弦逆变电路结构
正弦逆变电路如图3所示主要是由电容C1,功率管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥，电感L2,电容C2等组成。PFC模块的输出经由逆变部分能够产生负载所需的纯正弦波交流电压。
数字UPS的正弦逆变器是时刻处于工作过程中，其工作原理是通过采样电路对逆变电路输出电压和电流进行采样，得到的采样信号输入到DSP中，对采样信号进行处理，依照一定的算法和程式来实现正弦逆变电路控制的功能。
（3）DC/DC电路结构
DC/DC电路的构成如图4所示，主要是由高频变压器、功率管T6、T7,整流二极管D33、D34、D35、D36,电容C31等组成。该部分采用直流电压环反馈控制，变换后的电压通过二极管D6与PFC的输出端相连。
由于电池电压比较低，逆变器对直流电压的利用率又不高，所以需要DC/DC电路来转换电池的电压。DC/DC的电路结构有很多，但是各有优缺点，最常用的就是推挽式直流变换电路这种电路的优点就是驱动电路简单，输出功率大。一般被功率要求比较高的负载选作直流变换电路。
（4）UPS其他结构功能
同时通过SCI和SPI来实现整台UPS的监控程序，通过SCI口和微机进行通信，实现远程监控是全数化UPS的重要结构功能。
一方面，在UPS运行时出现市电故障或停电时，UPS会利用上述通讯通道向由它供电的计算机网络传送因市电故障产生的报警信号。当长时间停电，而电池组的供电电压要低于临界放电电压时，计算机网络会在UPS电源发出自动关闭命令的驱动下，完成数据的保存和设备的保护。
另一方面，提供一个友好的人机界面，可实时监视UPS的运行参数，方便用户的参数修改，同时便于用户查询UPS运行的历史记录。还可在计算机网络上对UPS进行定时的开机/自动关机操作。为实现上述控制功能，还可以提供RS-232和RS-485通信接口，用户可根据实际情况任选一种。对于要求执行网络管理功能的UPS,应配置有简单的网络管理协议（SNMP）适配器或适配卡。
随着数字化技术的发展，DSP技术已经被许多UPS厂商在产品中使用。DSP技术的使用提高了UPS产品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了UPS产品自身的可靠性。而IGBT技术和高频技术的应用，大大提高了电源效率，降低了系统噪音和电源自身的电力损耗，也提高了系统的可靠性。UPS的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成。随着数字处理硬件技术的发展，计算速度的提高，必然促使UPS向数字化方向发展。
数字式开关电源控制技术建模研究 第3篇
传统脉宽调制式开关电源采用模拟控制技术,在各种电力设备中得到了广泛的应用,但针对性能要求更高的负载,低电压及多电源同步管理等情况时,很难提升开关电源的工作效率。数字式开关电源控制技术具有智能化的灵活性和适应性[1],能够满足复杂度高的电源设计要求,其控制电路具有性能可靠、稳定、抗干扰能力强以及无零漂等优点,并且,可以完成复杂的算法,进一步提高数字式开关电源的性能。
本文数字式开关电源以DC/DC变换器为研究对象,通过数字式开关电源与模拟式开关电源的对比分析,指出数字式开关电源的优势所在;以buck型数字式开关电源为研究对象,建立系统模型,分析各组成部分的性能;数字式开关电源系统在MATLAB中建模研究。
1 DC/DC数字式开关电源系统框图
DC/DC开关电源系统主要分为DC/DC变换器主结构和反馈回路两大部分[2],其系统框图如图1所示。
图1中,DC/DC变换器主结构包括boost,buck,全桥,半桥等多种形式,根据实际需求来选用合适的拓扑结构。反馈回路对实际输出电压或电流与基准电压Uref差值得出误差信号e(t),误差信号经过PID调节后,获得一定占空比的输出信号U(t),U(t)与锯齿波比较,得到控制主结构的脉宽调制信号(PWM)。
数字式开关电源和模拟式开关电源的DC/DC变换器主结构基本相同,其主要的区别在于反馈回路。数字式开关电源反馈回路也包含AD采样部分、误差信号生成、PID控制部分、PWM波形生成,同时引入了专用的单片机作为载体,并配以相应的控制程序,可以更加灵活的完成电源的设计,是数字式开关电源的优势所在。数字式开关电源的系统框图如图2所示。
2 Buck型数字式开关电源模型建立
Buck型数字式开关电源DC/DC变换器的开关器件导通示意图[3]如图3所示。
由图3中电压和电流的关系,可以得到状态1的方程为
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状态1的向量为
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当开关电源的开关器件关闭时,其示意图如图4所示。
由图4中电压和电流的关系,可以得到状态2的方程为
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状态2的向量为
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此时通过状态空间平均法理论,得出完整系统状态向量为
A=DA1+D′A2
B=DB1+D′B2
C=DC1+D′C2
E=DE1+D′E2
式中,D为完整系统占空比,即开关器件的导通时间与开关周期时间比值,并且D′=1-D。
由此可以得出交流小信号的状态方程为
Gyg(s)=C(sI-A)-1B+E
变换器输出对输入传递函数为
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反馈回路的误差信号要进行PID调节[4],PID调节器将输出值c(t)与设定值r(t)的差值e(t)=r(t)-c(t)进行比例、积分和微分运算调节,PID控制系统框图如图5所示。
PID调节系统数学表达式为
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式中:Kp ——比例系数;
TI ——积分时间常数;
TD ——微分时间常数;
u0 ——控制量基准。
数字PID要进行采样量化,采样时间要小,精确度越高,同样对单片机的性能要求也越高,在实际开发中要综合考虑,采样时间由单片机定时器给出。数字PID数学方程为
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上一时刻数学方程为
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将式(2)代入到式(1)中求的增量式PID数学方程为
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经过PID调节后,误差信号u要转变为驱动DC/DC变换器的脉冲信号。模拟PID调节主要通过模拟PID输出信号u与锯齿波进行比较,因为锯齿波的频率与变换器的频率相同,在软件实现时不仅复杂,而且具有较大延迟。数字PID主要通过单片机的计数器实现PWM波形产生。计数器PWM波形产生原理图如图6所示。
开关周期设为TK,单片机计数器周期为TX,那么在单片机软件编写时比较值N为
N=TK/TX
数字PID输出信号u量化后,计数器寄存器数值为
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式中M为量化参数。
3 数字式开关电源系统建模研究
数字式开关电源的各组成部分连接起来,在MATLAB中建模调试[5],开关电源的技术指标为:开关电源工作电压为5～15V,输入电压为10V,输出电压为5V,负载电阻1～10Ω,输出纹波小于1%,工作频率为100kHz。数字式开关电源MATLAB程序流程图如图7所示。
为了更直观的观察数字式开关电源系统的稳定性以及PID各调节参数的选择,在开关电源的输入端叠加一个幅度为2V的正弦干扰信号,其频率远小于开关周期。
数字PID调节参数从Kp开始,设Kp=0.1,Ki=0,Kd=0,保持Ki,Kd恒定,不断增大Kp,观察MATLAB的输出波形,可以得到在Kp=0.85时,系统具有较小超调量和较快响应速度,其波形图如图8所示。
图8中,系统输出波形稳态误差较大,此时保持Kp,Kd恒定,调节Ki,观察MATLAB的输出波形,可以得到在Ki=0.075时,系统稳态误差较小,其波形图如图9所示。
为了获得更好的动态性能,进一步调节Kd,保持Kp,Ki恒定,观察MATLAB的输出波形,可以得到在Kd=0.002时,系统具有最好的输出特性,其波形图如图10所示。
4 结语
本文阐述了数字式开关电源相对于模拟式开关电源的优势;依托buck型DC/DC变换器建立数学模型,包括变换器主结构和反馈回路;通过MATLAB建立数字式开关电源系统的模型,给出控制程序流程图,引入幅度为2V的正弦干扰信号,选取PID控制参数。同时,数字式开关电源系统在MATLAB上实现的程序语言,可以为实际开关电源的程序编写提供依据。
参考文献
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智能化数字电源的应用与发展研究 第4篇
【关键词】数字电源；智能化；设计；应用；发展
1.引言
进入21世纪以来，开关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。新问世的数字电源以其优良特性和完备的监控功能，引起人们的广泛关注。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、远程故障诊断、故障处理等电源管理功能，能满足复杂的电源要求。数字电源的这些特点使其在现在的诸多领域得到很好的应用，并将继续扩展它的应用范围。因此对数字电源应用的研究十分重要。
2.数字电源的技术特性
数字电源是以数字信号处理器DSP（Digital Signal Processing）或微控制器MCU（Micro Control Unit）为核心，将数字电源驱动器、PWM（Pulse Width Modulation）控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品，能提供管理和监控功能，并延伸到对整个回路的控制。数字电源有用DSP控制的，还有用MCU控制的。相对来讲，DSP控制的电源采用数字滤波方式，较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。
数字电源管理DPM（Design Pro
-ject Manager）是指用数字信息来管理电源系统及其电源的整体运作。有了DPM，就可以利用数字信号实现与电源的通信，可实现对电源系统加电、测序、负载分配和平衡、故障分析、热交换、维护保养及其它任务。数字电源控制器DCP（Digitally Controlled Potentiometers）是指，用数字技术来控制电源单元内部的功率开关功能。从理论上来说，这意味着尽可能早地执行模-数转换，使电源中所有的反馈和控制功能在数字域进行处理。
3.数字电源电路的应用
数字电源存在的需求市场是模拟电源难以实现的一些区域，比方说，采用SVPWM算法的大功率高压变频器。数字器件控制的电源内部参数可以在线调整，这就意味着电源的动态特性是可变的，能顺应负载在相当大的范围内变化，同时还能保证一定的性能。数字电源的通讯优势使电源设备具有多样化的远程控制方式，这会给设备的运行、监测带来很多好处。数字电源开始慢慢渗透并占领传统模拟电源的应用领域，而且发展越来越快。
3.1 数字电源电路的应用情况分析
以数字方式进行电压及电流控制的开关电源，称为“数字控制电源”。不间断电源等大容量电源是10多年前就已普遍使用的技术，而2010年有关这种数字电源的开发活动颇显活跃。比如：村田制作所在直管型LED照明内置电源中采用了基于DSP微控制器的数字控制，该电源被照明厂商Clear Sodick用在了LED照明上；TDK-Lambda UK也开发出了该公司首例在标准电源中采用数字控制的产品，并于2010年6月开始了全面量产；新电源工业也在以车载用DC/DC转换器为代表的该公司大部分开关电源中导入了基于软件方式的数字控制。与任何新技术的推广周期一样，数字电源的影响最先会出现在利润丰厚的高端市场，然后逐渐进入主流市场。
数字软件技术开始在曾是模拟技术的领域上广泛普及。LED照明、车载电源及产业设备等领域纷纷开始导入数字控制型电源。通过添加通信功能或者将控制方式改变为动态控制等方法，在提高电源效率、缩小产品尺寸以及缩短开发时间等方面发挥了效果。另外，长期以来制约DSP发展的高成本问题，也随着价格与通用微控制器一样的低价产品的问世而逐渐得到解决。
电源的数字控制有助于实现AC-DC电源和DC-DC转换器等的小型化及高效率化，大约5年前开始受到关注。这种“数字电源”的应用范围在最近一年来悄然扩大。
3.2 数字电源应用领域的扩展
以前，数字电源只是导入于无停电电源装置（UPS）、通信产品、服务器、太阳能电池以及功率调节器等基础设施的部分产品中。但最近，LED照明器具、汽车、产业设备乃至部分消费类产品也开始采用数字电源。那么，是什么原因使数字电源的应用领域得到迅速扩展呢？
3.2.1 低价位DSP的亮相成为契机
数字电源的应用范围能够扩大的最主要原因是，单价只有8元左右至几十元人民币的电源控制IC的出现，并用于数字电源的产品中。数字电源控制IC的成本下降到了可与不足几十元人民币的模拟电源控制IC相匹敌的程度。美国微芯科技（Microchip Technology）、美国德州仪器（TI）以及新日本无线等半导体厂商从2008年前后相继推出了数字电源专用的低价位控制IC。近来，大部分数字电源产品采用的都是这些企业的IC。
在输出功率为100W以上、开关频率为1MHz以下的领域，采用DSP微控制器的数字控制电源开始普及。以前，构成数字电源需要采用单价高达几百至数百元人民币的高性能DSP作为控制IC使用。这些IC的工作频率为100MHz以上，耗电量仅DSP就将近1W，用于通常的开关电源的控制则指标过剩，这是采用DSP的数字电源只在UPS等超过1kW的大型装置上才使用的主要原因。不过，应部分先进电源厂商的要求，微芯科技和TI推出了配备数字电源所需功能，与通用微控制器价格一样便宜的DSP，即“DSP微控制器”。将几百元人民币的DSP成本大幅降到几十元以下，基本解决了数字电源的最大瓶颈——控制IC成本高的问题。
3.2.2 以1MHz以下、100W以上的电源为对象
数字电源的DSP微控制器自身就会消耗200mW左右的电力。因此，不太适合输出功率较小的电源。因为必须顾及因DSP微控制器的电力而导致的效率降低，综合电源技术人员的意见来看，目前，输出功率为50～100W以上的电源为最佳对象。
从开关频率方面来看，频率大约在1MHz以下的电源为最佳应用对象。在数字电源中，经由DSP微控制器上的A-D转换器监测输出电压和输出电流，并利用软件控制电压和电流的稳定性。理由是，与利用运算放大器（误差放大器）连续检测输出电压和目标电压之差的模拟控制不同，数字控制会发生1μs左右的A-D转换时间、以及利用软件计算操作量的演算时间等数字控制特有的延迟。
在数字电源中，利用基于专用逻辑电路的硬件而非基于DSP的软件来执行PI控制等控制演算时，可以支持超过1MHz的开关频率。原因是，该方式在将输出电压等进行A-D转换之前均与DSP方式相同，由于利用硬件的数字演算器实施PI控制，因此这部分的演算时间与DSP方式相比能够缩短。
4.结束语
“整合数字电源”（Fusion Di
-gital Power）技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。实现了电源系统单片集成化（Power system on chip），将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中。其次，充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使数字电源的设计达到高技术指标，这是传统开关电源所望尘莫及的。随着IC厂商不断推出新型号、性能更好的数字电源IC产品以及用户对数字电源认识的深入，数字电源的应用将会进一步普及。
参考文献
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作者简介：
孔维成（1965—），男，河北沧州人，大学本科，总参谋部通信训练基地教研部实验室高级讲师。
李悦（1977—），女，江苏徐州人，大学本科，总参谋部通信训练基地教研部实验室讲师。
袁赛（1979—），女，河北辛集人，总参谋部通信训练基地教研部实验室讲师。
杨海明（1978—），男，山东菏泽人，硕士，总参谋部通信训练基地教研部实验室讲师。
数字电源开关并联供电的应用研究 第5篇
多个开关电源模块并联运行虽然提高了可靠性,并能实现电路模块标准化等优点,但是并联工作的各个电源模块特性不可能完全一样,若不采取处理可能会影响其中的模块承受较大的输出电流,引起分配电流不均,导致该模块甚至整个电源系统的故障。因此,在多模块并联运行系统中必须引入有效的均流控制策略,从而使各模块均匀地承担负载功率,提高系统的可靠性。
1 DC-DC模块设计方法及实现方案
本系统实验电路采用TI公司的开关降压转换集成芯片TPS5430构成DC-DC主电路,TPS5430内部集成PWM产生电路、高位场效应管驱动电路以及110m欧低导通电阻的NMOS开关管,效率高达95%,输出电流最高可达到3A,有较宽的输出电压范围。TPS5430固定500KHz开关频率,因此可采用较小的滤波电容、电感消除纹波。同时,TPS5430集成度高,只需要配合少量外围元器件(自举电容、起储能与滤波作用的电感与电容、反馈电阻),构成BUCK电路,即可高效、精确、稳定地得到输出电压,单电源模块应用原理图如图1所示。
(1)二极管的选取。为了达到高效率,要使用压降小并且恢复速度快的续流二极管D1。普通的二极管,正向压降比较大,同时,由于开关管高速地在导通与截止状态之间转换,普通二极管反应速度不够快,二极管会大量发热并且使TPS5430的输出波形也会受到影响,整个系统的效率很低。
(2)输出滤波器的选择。电感L1和电容C1是DC-DC输出滤波器的关键,它们共同担负着储能与滤波的作用。在设计输出滤波器时,可以选择一阶LC滤波器或二阶甚至更高阶LC滤波器,但兼顾到对效率及纹波的要求,可选择低阶滤波,以降低滤波器的消耗。由于TPS5430开关管的工作频率为500KHz,频率较高,故对电容电感的选择已经较为苛刻。
2 均流控制方法及实现方案
主从均流法、输出阻抗法、最大电流自动均流法、平均电流自动均流法和外加均流控制器法等是目前开关电源并联供电系统常用的均流方法,其中最大电流自动均流法具有均流精度高、负载调整率高、动态响应好、易于实现冗余的特点而得到广泛应用。负载共享控制器UCC39002设计原理是根据最大电流自动均流法设计,它控制多个独立电源或者DC/DC模块并联供电自动均流的理想选择。
在本系统实验电路中,使用两片UCC39002实现均流控制。在DC-DC模块正常工作时,将两路UCC39002的均流母线LS连接,根据UCC39002均流原理,UCC39002将会自动选出电流最大的一路,并将最大的一路电源作为主电源,此路UCC29002内部的三极管截止,即没有电流流入其A D J脚,故该路中只是反馈线上比无UCC39002时多了一个小电阻R4。而电流较小的另一路电源成为从电源,均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定,从电源的UCC39002接收到母线上的信号后,会控制从电源DC-DC模块稍稍提高输出电压,具体工作原理是,从电源UCC29002内部三极管导通,此三极管发射极有一个500Ω电阻到地,此时通过该三极管的电流即为VEAO/500,有此附加电流流过R4后,A点电压下降,从而B点基准电压也下降,而不再是1.22V,此时为了使VSENSE恢复到1.22V,TPS5430将增加PWM脉冲宽度,增加Vout从而提高该路电流输出,减小与主电源的电压差,通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流,从而达到均流。
3 过流保护故障与自动恢复方法及实现方案
在本系统实验电路中,采用硬件电路实现。当开关电源的输出电流超过规定值时,利用电阻采样转换为电压与可预置的基准电压比较后,控制TPS5430的开关频率输出使能端ENA,也可设计为控制继电器断开负载,起到保护作用。为了实现自动恢复功能,本系统设计了单稳态触发延时电路,每次触发后系统停止工作可预值时间后,继续检测过流故障是否已经被排除。如果过流故障排除,系统自动恢复。
4 结论
根据所设计的实验电路,我们试制了实验样机,通过实验数据测试与分析,调整实验负载电阻至额定输出功率为32W工作状态下,供电系统的直流输出电压Vout维持在8.0±0.28V之间,纹波电压峰峰值在30mV左右,供电系统的效率高达93.6%,调整负载电阻至额定电流值范围内的任意输出电流值,两个电源模块的输出电流的相对误差绝对值小于3.2%,均流效果非常好,同时该系统集成性高,电路结构简单,所用器件少,还不易发热,保证了整个系统高效、稳定、可靠的运行。
摘要：开关电源模块并联供电系统是大功率输出、不间断供电电源技术发展方向之一。本文提出了一种开关电源模块并联供电系统的设计思路。
关键词：电源开关,并联,供电
参考文献
[1]孙道宗,王卫星等.基于TPS5430和MAX1674的智能充电器.电子设计工程,2010,18(8):145.
数字开关电源 第6篇
众所周知,在大多数的过程控制系统中,PID控制器因其结构简单,对模型误差具有鲁棒性且易于操作等优点,被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中[1]。多年来,许多PID参数的整定方法不断推出,如Ziegler-Nichols整定公式修正方法[2];幅值-相角裕度整定方法[3,4];内模控制方法[5]以及以积分指标为基础的最优PID整定方法[6]等。然而当被控对象具有非线性、时变不确定性和难以建立精确的数学模型时,PID控制器的参数整定不良、性能欠佳便日益突显出来,使其不能够达到理想的控制效果[7]。
但是近年来,神经网络以其任意非线性函数的任意逼近和自学习能力,在控制领域内得到了非常广泛的应用[8,9,10],解决了很多传统科学解决不了的难题,是世界上公认的尖端前沿的技术研究领域之一。因此,将传统PID控制和BP神经网络融合的控制策略的研究倍受学者关注。比例、积分和微分神经元组成的PID神经网络[11]具有快速学习能力和良好的性能;神经网络PID控制器[12]参数能够在线整定,具有较强的适应性;而神经网络自整定PID控制[13]参数可以在线整定和优化,具有较强的自适应能力和鲁棒性。
本文系统中正是采用反向传播B P(B a c k Propagation)算法的前馈型神经网络(简称BP网络)来设计控制器,由于B P网络规模较大,而且D C/D C变换器系统对实时性要求较高,因此更适于采用全硬件实现;又因为数字实现具有极强的灵活性、电路设计方法成熟、可靠性高、可以达到很高的计算精度、而且权值的存储和更新更加方便和易于控制。基于此采用了FLEX10KA数字控制芯片研制开发了这款容量为180W的有源箝位正激软开关电源。实验结果证明了数字控制系统的良好性能,充分体现了现代控制理论在提高D C/D C变换器系统稳定性及动态响应性能方面的优越性。同时,所有控制算法均集中于一片FPGA芯片中,为开关电源的模块化、集成化、智能化提供了基础。
2 DC/DC变换器控制模型
有源箝位(ZVS-PWM)单端正激电路拓扑结构如图1所示:
正激变换器利用有源箝位,可以实现功率变压器磁心磁通的自动复位,无需另加复位措施;并且可以使激磁电流沿正负反向流动,使磁心在磁化曲线的第一和第三象限,提高磁心的利用率。它是在P W M单端反激电路的基础上增加一个箝位开关Q2(功率MOS管)和一个箝位电容来实现,利用箝位电容C 1及M O S管Q 2的输出电容Csi和变压器绕组的漏电感Lr谐振,,漏感储能向Csi释放过程中,使Csi电压逐步下降到零,体内的寄生二极管Di开通,创造主开关ZVS(零电压开通)的条件,同时提供有效的路径吸收变压器的漏感能量,从而改善功率变换级的效率。
3 神经网络结构与学习算法
3.1 神经网络结构[14,15]
从连接方式来看,神经网络的结构分为两种:前馈型网络和反馈型网络,其结构如图2所示。前馈型网络各神经元接受前一层的输入并输出给下一层,没有反馈;其所有神经元分为输入单元和计算单元(用带阴影的节点表示)。每一个计算单元可以有任意个输入,但只有一个输出(可以耦合到其它神经元作为其输入),如图2(a)所示。
反馈型网络的所有神经元都是计算单元,见图2(b),它既可以接受输入又可以输出。神经元间的连接是双向的,构成许多反馈。
无论前馈型还是反馈型神经网络的工作都分为两个阶段。第一个阶段是学习期,此时各计算单元的状态不变,各连接上的权值通过学习不断进行修改。第二个阶段是工作期,此时各连接权值固定,计算单元状态变化以达到某种稳定状态。
3.2 神经网络学习算法[14,15]
按照环境提供信息的多少,神经网络学习方式分为三种:(1)监督学习(有教师学习);(2)非监督学习(无教师学习);(3)再励学习(强化学习)。
神经网络中各神经元之间的连接权值是存储信息和处理信息的关键参数,因此各种学习算法都是根据调整权值的原则、方法、步骤或迭代过程参数选择不同而划分的。目前可以分为以下几种:
(1)权值固定型
网络的结构和权值是预先确定的。
(2)随机给定型
按照随机数产生器生成权值,从中选定所需的权值。
(3)Hebb学习
Hebb学习又被称为相关学习,其学习规则为:当两个相互连接的神经元激活同步(同为激活或同为抑制)时,则其连接权值得到加强,反之则应减弱。
(4)δ学习法则
这是一种有监督的学习算法。δ学习是典型的最优化问题,它首先选定目标函数,然后通过学习使目标函数达到最小,以使网络中每一输出单元的实际输出在某种统计意义上逼近于应有输出。当目标函数选为实际输出与期望输出的均方差并且应用于非线性可微分激励函数神经元所构成的多层前馈网络时,则生成应用最为广泛的反向传播B P算法。B P学习算法是一种有监督的学习过程,它是根据给定的输入/输出样本来对其进行学习,并通过调整网络连接权值来体现学习的效果。本文所选采用前馈型神经网络采用B P学习算法,其算法流程图如图3所示。
(5)竞争学习
网络各输出单元相互竞争,最后只有一个最强者处于激活状态。
4 基于神经网络的数字化控制方案
神经网络作为一种新技术之所以引起人们巨大的兴趣,并越来越多地应用于控制领域,是因为与传统的控制技术相比,它具有以下重要的特征和性质:(1)非线性。这来源于神经网络在理论上可以趋近于任何非线性映射,相比其他方法建模更经济。(2)平行分布处理。(3)硬件实现。这与分布平行处理的特征密切机关,也就是说它不仅可以平行实现,而且许多制造厂家已经用专用的VLSI硬件来实现。(4)学习和自适应性。利用系统过去的数据记录,可对网络进行训练。(5)数据融合。网络可以同时对定性和定量数据进行操作。(6)多变量系统。神经网络自然地处理多输入信号,并具有许多输出,它们非常适合用于多变量系统。
因此,它特别适用于D C/D C变换器这样的非线性系统和离散系统。本文所选神经网络为最常用的B P神经网络,它不仅可以映射任意非线性函数,而且具有自适应学习、并行分布处理及较强的鲁棒性和容错性等特点。
4.1 BP神经网络设计
4.1.1 BP神经网络层数的选择
具有一个隐含层的三层B P神经网络,能够逼近于任何有理函数。增加层数可以进一步降低误差、提高精度,但是同时也会增加网络的复杂性,从而增加网络中权值的训练时间。增加隐含层中的神经元节点数目也可以提高误差精度,其训练效果也比增加层数更容易观察和调整,所以通常状况下,应该优先考虑增加隐含层中的神经元节点的数目。为了降低设计的复杂性,本文采用含有一个输入层,一个隐含层和一个输出层的三层B P神经网络。
4.1.2 网络输入层和输出层节点数目的设计
在设计输入层和输出层时,应该尽可能的减小系统规模,使系统的学习时间和复杂性减小。输入层起缓冲器的作用,把数据源加到网络上。其节点数目取决于数据源的维数。已经系统的阶次n=2,输入信号滞后阶m=2。所以网络的输入节点数目为:n+m+1=5个。
输出层神经元根据需要求解的问题和数据表示的方式而定。由于N N C的输出需要一个占空比信号,因此输出层节点数目选为1个。
4.1.3 隐含层节点数目的选择
隐含层节点数目的选择对于网络性能的影响很大,过多的隐含节点对网络的泛化能力产生不利影响,即影响网络对于新输入的适应性。而过少的隐含层节点数目会影响网络学习的精度,并且使网络学习时出现局部极小的情况增多,从而导致网络不能建立复杂的判决界。因此,隐含层节点数目应该是在能解决问题的前提下越少越好,目的是尽量提高网络训练和测试的速度。
常用的选择方法就是使隐含层节点数目可变,开始时放入足够的隐含单元,然后把学习后那些不起作用的隐含层单元逐步去掉,一直减少到不可收缩为止。根据以上思路,本文设计过程为:首先,设定隐含层节点数目为17个(根据Kolomogorov定理,BP网络在执行本次识别任务中隐含层节点数目最多不超过17个);然后,通过仿真得到变换器在不同电路参数下的40组输出信号,用这40组信号对BP网络进行训练、调试,并不断减少网络隐含层节点数进行计算;最后,当网络的总体误差下降到设定的最小值(理论上误差为零时最理想,但实际中误差只能接近于零不可能等于零,一般取一个很小值,本次实验中取目标误差值为0.004左右)时,确定隐含层节点数目为8个。
由以上分析,得到三层B P网络结构如图4所示。
4.2 改进BP算法及其学习训练过程
虽然BP算法具有很多优点,但是在实际应用中,BP算法仍存在很多问题[16],比如:(1)收敛速度慢,若加快收敛速度易产生振荡;(2)存在局部极小和平台问题;(3)泛化能力差;(4)隐节点数和初始值的选取缺乏理论指导;(5)未考虑样本选择对系统学习的影响等。
近年来国内外学者针对以上问题在学习算法、网络结构、训练方式及样本处理几方面提出了很多改进措施[17,18,19]。本设计根据实际需要和以上原则,采用一种综合方法来得到改进的B P算法,主要分以下三个方面进行改进:
4.2.1 添加动量项
在进行各层之间的权值调整时,通过增加动量项的方法来提高网络学习效率和自适应能力。学习速率η决定每一次循环训练所产生的权值的变化量。过大的学习速率可能导致系统的不稳定,但是过小的学习速率将导致训练时间较长、收敛速度很慢,但是能保证网络的误差最终趋于最小的误差值,所以在一般情况下,倾向于选取较小的学习速率以保证系统的稳定性,学习速率的选取范围一般在0.01~0.9之间。本设计选取网络的学习速率η=0.55。
引入动量项的效果就是使得学习过程中有效地改变η值(不再是恒定的值)。引入这个动量项之后,使得调节向着底部的平均方向变化,不至于产生大的摆动,即动量项起到缓冲平滑的作用。若系统进入误差函数面的平坦区,那么误差将变化很小,使调节尽快脱离饱和区。加入动量项后权值的调整规则变为:
其中第二项η∆wk(n)为标准BP算法的修正量,第一项α∆wk(n-1)称之为动量项,α为动量参数,本文选取
4.2.2 调整激励函数形状
将标准B P算法的作用函数:f(x)=
调整为:f(x)=,α>1,并增加饱和限制,加大网络收敛的速度。
4.2.3 训练样本处理
用规格化方法将输入/输出样本处理成绝对值在0~1之间的数据。在对BP算法进行改进的基础上,采用软件模拟的方法实现了神经网络的学习训练过程(离片式学习),这样不仅可以简化硬件的实现过程,节约硬件资源,还可以提高训练过程中的计算精度。一个训练成功的神经网络在应用过程中结构、权值、偏置和激励函数都是固定的,不会随输入样本的变化而变化。B P网络离片式训练流程如图5所示。
4.3 基于FPGA的BP NNC实现
由于BP神经网络控制器(NNC)采取离片式学习方式,并且在Matlab中已经成功地进行了训练,得到一个固定结构、权值、偏置和激励函数的B P神经网络,这时只需要进行前馈计算即可实现其功能。如图4,可得BP NNC前馈阶段的计算公式为:
由输入到隐含层计算公式:
由隐含层到输出计算公式:
其中wj i(i=1...8;j=1...5;)和w i′j(i=1...8;j=1)分别为输入到隐含层的连接权值和隐含层到输出层的权值;N=5、N′=8为分别输入和隐含层节点数目;hi和yj是隐含层与输出层神经元的输出值;f(x)为激励函数,设计中取为Sigmoid函数。为了实现以上固定结构的NNC,通常可以采取串行计算(单计算单元)、神经元并行和连接权值并行三种计算结构。考虑到计算时间和所设计的神经网络的特点,本论文提出了一种新的混合计算结构:输入层到中间层之间采用神经元并行,而中间层到输出层之间采用串行计算的方式(因为网络只有一个输出节点)。输入层到隐含层的计算单元既针对连接又针对神经元,而隐含层到输出层的计算单元仅是针对连接,因此整体计算过程被分为两类,有着不同的结构,如图6所示。
4.3.1 输入层到隐含层计算单元硬件实现
输入层到隐含层的计算单元比较复杂,如图6(a)所示为其硬件实现模型,主要由一个连接权值存储器RAM、八个组合逻辑累加单元MAC(Multiple Accumulate Circuit)和一个基于sigmoid函数的查找表LUT(Look-up Table)构成。八个相同结构的MAC模块并行运行,得到最终的计算结果即隐含层的输入信号。
其中R A M为连接权值存储器,采用M A X+P L U S-I I提供的L P M_R A M来实现,这些R A M在系统综合的时候自动用ESB(Embedded System Block)来实现,大大节约了FPGA中的逻辑阵列资源。由于这些计算单元对应N N C中不同的连接,因此每个计算单元R A M中存储的权值是不同的,而且存储的顺序也很重要,必须按照下述方式排列才能简化通过查表获取权值的过程:
设连接权值由nw(j i)表示。n表示第n个单个神经元模型;j代表输入层的神经元;i代表隐含层的神经元。则上述公式可以表述为第j个输入到隐含层的第i个神经元之间的连接权值,于是存有上述权值的R A M如表1所示。
M A C完成输入信号加权计算,结构如图7所示;LUT为激励函数的实现单元(查找表形式)。运算单元均采用V H D L语言编程实现。
4.3.2 隐含层到输出层计算单元硬件实现
隐含层到输出层的计算单元的实现相对比较简单。其计算单元结构如图6(b)所示。结构与图(a)类似,但由于只有一个输出节点,因此只需要一个计算单元,地址总线选择各神经元对应的权值,然后与M A C的输出结构累加,通过缓冲串行输出计算结果即为N N C控制器的最终输出。
4.3.3 激励函数硬件实现
激励函数的硬件实现是N N C硬件实现的重要组成部分。本设计选择激励函数为Sigmoid函数,由于其完成的是一个非线形的映射过程,而且运算中包含了幂运算、加法运算和除法运算,所以如果按照其原始函数形式来实现会耗费大量的硬件资源和较长的处理时间。目前都是采用LUT查表的方式来实现Sigmoid函数。L U T实现激励函数的具体方法也是不同的。常用的实现方法[20,21,22]步骤如下:
首先将基本Sigmoid函数:
改进为:
然后将输入值映射成-128至1 2 7范围的整数,将这些整数代入式(3-5),再把结果四舍五入即可以生成一张Sigmoid函数表。要形成LUT,需要将输入映射成查表地址。常用的传统方法是首先判断一个很大范围的输入的高几位,如果不全为零,意味着输入超过最大或者最小值范围,则直接输出255或者0;然后去掉输入的低几位,相当于对输入做了一个均匀量化的过程;最后取中间8位作为查表地址。
通过实验发现,上述方法使用不灵活,尤其是存在许多限制因素;因此本文提出了一种非常简单和有效的Sigmoid函数硬件实现的改进方法,具体步骤如下:
(1)当输入累加值大于127时,直接用255作为Sigmoid函数的输出;当输入值小于-128时,直接用0作为Sigmoid函数的输出;
(2)当输入累加值为-128至127之间的整数时,进行如下的运算:
将运算结果取整存入Sigmoid函数表中。
(3)在NNC的工作过程中,只要将属于-128至127范围的输入值加上128就可以作为查表地址。
实验表明,此实现方法对于隐含层和输出层的神经元都是适用的,并且采用这种Sigmoid函数实现方式的N N C的工作效果与采用全浮点非查表方式实现的N N C效果极为接近。
4.3.4 各层状态机控制器实现
状态机的功能主要是对各个模块进行使能、重置等的控制,在本文中采用了两个状态机:第一个状态机用于M A C,它主要用来定时对神经元的输入及其对应的权值进行加载,同时对计算单元进行重置;第二个状态机是对整个神经网络进行控制,也称其为主控制器,它主要为了实现时分多路复用结构而设计的,通过状态机可以重复对M A C进行调用,这样就可以节省芯片的空间。
在整个神经网络中,每一层要开始运行必须等到上一层运行结束,并已经完成计算结果的传递。当某一层已经运行结束时,主控制器发送一个使能信号给下一层。整个神经网络的状态机控制的流程图如图7所示。
从本质上来说,神经网络的实现就是其所有连接的实现。因此,当采用上述方法实现一个固定结构的神经网络计算模块后,只要输入到计算单元的地址可以包含所有的输入神经单元,就可以使整个网络的所有连接被遍历,也就是说可以通过改变地址来改变整个网络的实现,方便了N N C的修改,从而提高了其通用性。
5 综合与仿真
本设计是在Altera公司的可编程逻辑器件开发系统MAX+PLUS-II环境下,通过Quartus编译器来进行综合的。由综合之后产生的*.rpt文件可以得到芯片资源的利用情况,详见表2。
由上表可见,芯片每个功能模块的资源利用率均不超过70%(一般不大于70%到75%),因此在FLEX10KA系列F P G A上实现是完全可行的。同时时序分析表明,在这个系列的F P G A上,系统运行时钟最高可以达到50MHz。系统时序仿真图如图8所示,结果表明该系统设计是正确和可靠的。
根据数字控制系统结构图即图1,利用Matlab进行仿真,并与传统的PID控制仿真结果进行比较,分别得到在输入电压和负载变化时两种控制方法的输出响应,如图9所示。
由仿真结果可以看出,在电压和负载出现快速波动时,与基于PID控制的系统的动态响应性能相比较,基于神经网络控制的系统的超调量比基于P I控制的超调量明显小,且过渡时间短,系统稳定后的电压纹波小。
6 结束语
本文详细分析了有源箝位单端正激软开关电源的控制时序及基于F P G A的B P N N C实现过程,并在M A X+P L U S-I I环境下给出了系统的仿真实验结果。通过与Matlab环境下PID控制的仿真结果相比较,我们从中可以明显的看出神经网络控制系统具有良好的动态响应性能和抗干扰能力,尤其是主回路的开关管也实现了零电压软开关。与此同时采用FPGA构造电力电子装置的控制单元具有简单灵活,控制精确,易修改,可现场编程等优点,这对于电力电子变换器的全数字化控制,特别是软开关P W M电路的控制提供了一个崭新的实现途径。
摘要：基于神经网络控制技术,采用FLEX10KA FPGA(EPF10K30AQC208)数字控制芯片研制开发了容量为180W的有源箝位正激软开关电源;并且详细分析了该电源的控制时序及神经网络的数字化控制方案,最后给出了系统的实验结果。从实验结果可以看出神经网络控制鲁棒性强,系统的稳定性能好,动态响应速度快,而且主回路的开关管实现了零电压软开关。
数字式压力开关装置 第7篇
压力开关是一种简单的压力控制装置, 广泛用于压力自动控制领域。通常应用在二次回路中, 起到接通或者断开的作用, 以达到保护设备的目的。我们所说的压力开关是现场压力保护装置, 一旦系统压力超出设定值则状态变化, 同时信号送到控制室或者就地控制柜, 用来对装置连锁或报警。传统压力开关的工作原理是:当被测压力超过额定值时, 弹性元件的自由端产生位移, 直接或经过比较后推动开关元件, 改变开关元件的通断状态, 达到控制被测压力的目的。新型的数字压力开关的原理是采用压力传感器进行压力采样, 采用压力传感器直接将非电量-压力装换成可直接测量的电量-电压或电流, 再通过信号调正电路对传感器信号进行放大和规整处理, 最后通过比较电路, 使得该器件在所规定的压力门限上, 输出电平是某一逻辑状态, 这个逻辑状态可以送到某一微控制器, 驱动后部电路或控制电开关。传统的机械式压力开关一般在零点到满量程设定点之间有15%到30%的死区, 而新型数字式压力开关设定范围则可由零点到满量程之间任意调整, 可以用来替代电接点压力表, 使用在工程控制要求比较高的系统上, 是传统机械式压力开关的升级产品。
数字式压力开关内置精密压力传感器, 通过高精度仪表放大器放大压力信号, 通过高速MCU采集并处理数据, 一般都是采用4位LED实时数显压力, 继电器信号输出, 上下限控制点可以自由设定, 迟滞小, 抗震动, 响应快, 稳定可靠, 精度高 (精度一般在±0.5%F.S, 高则达±0.2%F.S) , 利用回差设置可以有效保护压力波动带来的反复动作, 保护控制设备, 是检测压力、液位信号, 实现压力、液位监测和控制的高精度设备。
2 当前设计中拟解决的关键技术
2.1 软硬件双重滤波及模糊控制技术解决现有压力开关易受干扰的问题。
2.2 内部12位高精度A/D转换器及4位LED显示保证了测量时的高精度以及压力设定的准确性。
2.3 电子开关管取代机械触点, 延长使用寿命、增加驱动能力、提高开关的响应速度, 并能通过软件选择输出节点的形式。
3 拟采用的方法、技术路线及创新突破点
3.1 采用的方法
3.1.1
传统的压力开关在压力变化较大或有瞬间的波动时, 往往会发生误动作, 而数字式压力开关在硬件上采用了二阶有源低通滤波器, 该滤波器能有抑制工频以下低频率信号给电路造成的干扰。
同时在软件的设计上采用了模糊控制和滑动平均数字滤波方法。在传统的控制领域里, 控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键, 系统动态的信息越详细, 则越能达到精确控制的目的。然而, 对于复杂的系统, 由于变量太多, 往往难以正确的描述系统的动态。换言之传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力, 但对于过于复杂或难以精确描述的系统, 则显得无能为力了, 而压力控制系统则是一个典型的复杂动态系统。利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法, 达到精确控制动态系统的目的。滑动平均数字滤波方法免去了复杂的数字滤波器设计, 避免了传统数字低通滤波器浮点数的运算。软硬件的双重保护有效避免了外界压力波动时的误动作问题。
3.1.2 传统的压力开关精度低、校准难在校验时需反复进行试验才能确定设定值。
本产品采用了罗克韦尔公司生产的带有温度补偿的高精度压力传感器, 该传感器具有高精度、高稳定性、抗高过压和高静压 (耐压16MPa) 、量程迁移比大等特点。保证了压力测量的准确性, 无需多次校准。传统的压力开关由于选择的量程不精确, 设备的压力在某特定的条件下超过了压力开关的耐压值, 并维持了一定的时间, 使压力开关超负荷工作, 损坏的几率肯定很大。数字式压力开关用户在设定压力范围时, 数码管显示当前设定值, 可以确保设定的准确和方便。
3.1.3 传统的压力开关由于采用机械触点, 一般具有较长的动作时间, 长期工作时, 由于触点频繁动作, 还会使触点老化。
此外在有触点电器中, 触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象———电弧的产生及熄灭, 电弧对电器具有一定的危害。在开关接触的时候, 产生电弧, 不能及时灭掉, 而电弧的能量极有可能烧毁触点, 无法达到理想的开关效果, 并且使用寿命缩短。而数字式压力开关一般采用3安电流的电子开关管, 不但增加了驱动能力, 动作时间缩短为纳秒级 (几乎可以忽略) , 同时使寿命大大提高, 是传统式开关所无法比拟的。而且具有较高的灵活性, 用户使用时可以根据现场要求, 通过软件来设定输出节点的形式 (常开或常闭) 。
3.2 特色和创新突破点
3.2.1 采用buck降压电路, 该电路具有效率高、体积小、稳定性强、输出电压可调节范围大等优点, 降低了系统的功耗, 使电压输入范围变宽 (调节范围:6-36v) 。
3.2.2 采用无触点大功率开关管控制电磁阀, 能使开关响应速度快, 使用寿命变长, 驱动能力达到3A, 另外带有两路独立的开关量输出, 可同时对两路输出分别设定上下限参数。
3.2.3 使用ATM EL公司的AVR单片机, 该单片机带有低电压复位, 内部看门狗等功能, 提高压力开关的可靠性。同时AVR单片机的时钟系统为了降低功耗, 可以通过使用不同的睡眠模式来禁止无需工作的模块的时钟, 如“电源管理及睡眠模式”, 使单片机的功耗降到最低。压力信号使用差分放大器进行放大, 有效抑制了工业现场容易出现的共模干扰。
3.2.4 采用高精度A/D转换器, 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。模数转换器最重要的参数是转换的精度, 通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多, 表示转换器能够分辨输入信号的能力越强, 转换器的性能也就越好。数字式压力开关中采用的高精度A/D转换器提高了转换精度, 测量误差在万分之五以内。
3.2.5 外型小巧精致, 安装使用方便, 多种接线、接口型式可供用户任意选择。
3.2.6 采用国际先进的焊接工艺设备, 密封性能好, 无泄漏。能够满足高精度压力采集、控制和报警需求, 满足腐蚀性、冲击性、震动性等场所压力控制需求。
3.3 技术指标:
(1) 电源电压:6-36V DC±25%
(2) 额定压力范围:0～1Mpa;
(3) 设定压力范围:0～1Mpa;
(4) 设定/显示分辨率:0.001Mpa;
(5) 空载消耗电流:45mA以下;
(6) 环境温度范围:0-60℃;
(7) 输出电流:0-3A;
4 小结
数字式压力开关采用了AVR单片机, 保证了开关工作的可靠性, 采用了模糊控制理论有效避免了压力波动时带来的误动作问题, 采用高精度A/D转换提高了工作的精度, 使用大功率无触点开关延长了使用寿命, 与传统的机械式压力开关相比具有极大的优越性。数字压力开关的研制成功, 填补了我国在这个方面的技术空白, 使我国具有自主知识产权, 技术水平逐步接近国际领先。实现了较大的社会和经济效益, 对该产业具有带动和提升作用。具有较大的市场和开发前景。
参考文献
[1]曹杰, 史金飞等.基于MEGA8单片机的无传感器无刷直流电机控制系统设计[J].自动化仪表, 2005, 26 (12) :13-16.
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数字可调直流稳压电源设计 第8篇
众所周知, 电源是所有电子产品中起着“心脏”作用的关键组成部件, 一个“机体”能否正常稳定的工作, “心脏”的好坏起到了至关重要的作用[1]。随着电子技术的发展, 人们对电源性能的要求越来越高, 不仅要求电源输出直流稳定, 更对其输出电压范围的可调性与精度都要求甚高。相对于模拟可调, 数字可调更加精确、便捷。故文章设计了一个数字可调直流稳压电源, 其具有精度0.01V的步进调制、范围为1.25V-10.00V (可扩展) 的直流电压输出、输出误差较小且具有带负载和数码显示功能等特点。
2 总体设计思想及方案
本设计主要采用单片机AT89C52作为处理计算核心[2], 完成外部调节与控制。本系统主要由六个单元模块组成, 即电源模块、按键模块、单片机最小系统模块、显示模块、线性电阻模块和电压输出模块。其连接原理框图如图1所示。其中电源模块[3]采用7815与7805芯片分别产生15V和5V的电压给其它模块供电。输出模块采用LM317芯片构成, 为了满足LM317的工作特性[4], 故该系统必须为LM317增设一个输入比较的线性电阻模块。线性电阻模块是由若干个阻值以2的指数倍增长的电阻串联而成, 它利用继电器和单片机巧妙地将数字信号与模拟信号融合到一起, 即线性电阻模块的输出电阻取决于单片机获取的数字信号, 从而可以使系统实现一定范围内任意连续可调的电压输出。由于要对输出电压进行数字调节和显示, 因此还要增设按键模块和显示模块。显示模块使用4个数码管对所输出的电压进行显示, 而按键模块使用4个按键组成, 对单片机产生中断信号, 使单片机控制LED数码管显示, 并且同时计算, 控制线性电阻模块的总电阻输出, 由于此阻值决定了电源系统最后的输出电压, 从而实现输出电压与显示电压的一致。
3 主要单元模块电路分析与设计
3.1 单片机最小系统模块分析与设计
单片机最小系统在本设计中起到接收按键中断信号, 控制数码管显示并处理计算, 改变线性电阻的输出阻值等作用。该模块电路是由复位电路、时钟晶振电路、电平上拉电路和单片机芯片AT89C52组成。其中时钟晶振电路使用12MHz的晶振, 给单片机提供时钟信号, 而复位电路采用的是上电复位电路。AT89C52的P2.0到P2.7和P0.0到P0.3引脚连接在线性电阻模块的12个继电器开关上, P3.0到P3.2加上P1.7引脚连接在按键开关上, P3.3为外部中断1下降沿触发, 绑在按键开关公共端, P3.4到P3.7引脚端连接在数码管位码上。
3.2 按键模块分析与设计
按键模块是用4个按键对单片机产生中断信号来控制显示模块显示和线性电阻模块的阻值, 以便实现输出电压的数字调节。此模块设置的4个按键, 其功能分别为:
KEY1:每按键一次加一, 输出电压增加1V;
KEY2:每按键一次加一, 输出电压减少0.1V;
KEY3:每按键一次加一, 输出电压增加0.01V;
KEY_OUT:按键按一次, 确认输出电压, 使电阻模块去匹配, 使输出与显示值一致。
该按键电路是将一个外部中断拓展成多个[5]。按键开关一端接地, 另一端通过二极管与电阻接到Vcc上, 二极管1N4007的管压降为0.7V, 端口8接到单片机外部中断1上。按键没有按下时端口4、5、6、7均为高电平, 8也为高电平;每当按键按下, 会将端口4、5、6、7对应接地, 电平被拉低, 8端口也会被拉低从而产生下降沿进入中断从而改变显示模块和线性电阻模块的值的变化。
3.3 电压输出模块分析与设计
电压输出模块主要采用LM317芯片完成转换输出。由于LM317芯片的输入电压一般要比输出电压高3V (即有3V的压降) , 所以要求其输入Vin接15V的电压。LM317芯片输出电压取决于ADJ端口 (1引脚) 与V0端 (2引脚) 之间的电阻R12和1引脚所接的电阻R1, 计算公式如 (1) 所示。
上式中, 由于R12为定值电阻, 所以输出电压仅仅决定于R1的大小。由于本设计产生的电压在1.25V到10V之间, 当Vo=10V时, 根据式 (1) 计算出R1= (10/1.25-1) *512=3968Ω, 由于R1来自线性电阻模块的阻值, 所以本系统的线性电阻模块采用12位阻值以2的指数递增的电阻串联, 可实现从1Ω到4095Ω之间的任何一阻值的选取, 即可使系统得到范围为1.25V到10V之间的任意电压输出。由式 (1) 还可以得到最小精度为1/512*1.25=0.0024V的调节, 这样就可满足最小0.01V的步进调制了。
3.4 线性电阻模块分析与设计
此模块, 前人大多使用变阻器调节或者数字模拟开关CD4066进行调节[6], 考虑到数字模拟开关存在着较大内阻 (大约为50Ω左右) 会对线阻总阻值产生较大影响, 因此在本设计中, 使用继电器来代替数字模拟开关。又考虑到担心单片机的输出电流不够无法驱动继电器导通, 于是给继电器添加了一个三极管和一个放电二极管, 利用三极管的导通截止特性来加大继电器的驱动电流, 以便使单片机可控[7]。也就实现了用数字信号来精确控制模拟电阻总阻值的效果。
每当继电器部分电路接收到单片机传输过来一个高电平时, 对应三极管导通, 从而使继电器导通, 继电器就将其并联的电阻短接, 使对应电阻可选择性的接入串行电阻中, 从而达到通过数字信号改变电阻总值的目的。例如, 获取的数字信号为000101101010B, 则对应电阻为28+26+25+23+21=362Ω。
由于继电器导通可认为导线直接连接几乎没有内阻, 所以排出了由其内阻影响线阻总阻值的情况。由于此模块中线性电阻采用阻值为1、2、4……2048Ω (阻值以2的指数倍增长) 的12个电阻串联而成, 根据等比数列的求和公式可得到此模块理论电阻取值范围为1Ω到4095Ω, 精度为1Ω。
4 软件程序分析与设计
在软件编程上, 采用了中断、延时和数组调用等功能。设定了一个按键为标志位, 首先给4个数码管赋予初值, 当按键中断信号来了, 就可通过循环使LED数码管在不停地扫描显示, 只有当按键标志位的中断信号来到时, 确认下数码管显示的数值, 此时才使单片机内部进入计算阶段, 匹配出与之相应的线性电阻的12位二进制代码, 并行输出, 由于一位二进制数控制一个继电器开关, 那么就可得到线阻模块最后与数码管显示匹配的串行输出总阻值;再根据式 (1) 计算出LM317的输出电压V0, 由于IADJ一般在0u A到100u A之内较小, 故通常情况下是可以忽略的。但此设计中为了提高精度, 不能忽略, 因此在程序编写上取个中间值50u A, 如此在软件上完成通关按键对显示和电压的控制与调配。
5 系统功能测试分析
5.1软件仿真测试
使用仿真软件protuse7.10对电路系统进行理论仿真, 得到的测试数据如表1所示。
由表1中的测试数据可以看出, 该电源系统实现了输出电压在1.25V到10V的调节;由测试数据6和7可以看出, 该电源系统还实现了精度为0.01V的电压调节。
测试还得到:把输出电压任意调到5.25V, 在其后接一个保护电阻, 再继续连接一个绿色LED时, 该绿色LED灯能亮, 说明该电源系统可以接负载。
5.2 实物电路功能测试
用UT39B型数字万用表测试该电源电路的输出, 得到的测试数据如表2所示。
由表2中测试数据可以看出, 当测试数据靠近电压范围的两端时误差相对来说较大, 但是测试数据越距中间范围时误差越小, 几乎为零。究其原因, 这与LM317的电压输出计算中的IADJ值有关。IADJ原为变值, 而算法中使用的是一个中间值, 因此存在这样的波动误差。由于总的平均误差不大, 是在误差允许的范围内, 所以该电源系统的设计还是成功有效的。
6 结束语
测试结果表明, 文中设计的数字可调直流稳压电源的方案相比于市场上其他的方案, 更具有控制灵活方便、调节精度细、显示误差小、工作比较稳定等优点, 故使用价值更高。当然, 该设计也存在功能需要进一步提升的地方, 比如如何可以更简便地扩大电压输出范围, 算法计算如何更精确来减小显示误差等问题仍需进一步完善。总之, 设计高性能的电源是市场所需。
摘要：对所有电子产品而言, 电源是其不可缺少的“心脏”。随着电子技术的发展, 对电源性能要求越来越高, 不仅要求其直流稳定, 更对其电压范围的可调与精度有了更高的要求。文章在基于单片机技术基础上设计了一个数字可调直流稳压电源。该电源的硬件电路是由六个单元模块组成, 采用单片机AT89C52作为处理计算核心, 完成外部调节与控制, 实现了输出电压范围数字可调、可扩展的, 精度为0.01伏特, 并且具有一定负载功能的直流稳压电源的设计, 该电源系统具有一定的市场价值与推广价值。
关键词：直流稳压电源,数字可调,STC89C52RC,LM317
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浅淡现代数字微波机房电源供电方式 第9篇
关键词：数字微波,机房,电源供电
随着广播电视新技术的发展, 以及国家无委提出模拟微波停用的最后期限的来临, 我省局无线管理中心微波部为适应广播电视事业发展的需要, 从2002年7月开始全面展开了对我省干线模拟微波电路数字化的改造工程。到目前为止, 省内主干线电路、北线、东线、南线已改造完成12个站。还剩通往各市的16个干线站, 省局无线中心已将此列入工作计划。在数字微波电路改造过程中, 因原模拟微波设备及电源系统全部更新, 借此, 本人对市站数字微波电路改造中对机房的供电方式和电源的安全使用提出一些不太成熟的建议, 供同行探讨与研究。
1 未改造前模拟微波机房的供电状况
离石站现模拟微波机房最大的用电特点和存在的问题就是交流、直流混合供电。除微波收发信机各机架和调制解调机架电源由交直流稳压稳流硅整流器直接提供-24 V供电外, 其它附属设备如视音频切换器、电缆视频校正放大器、视音频均衡分配放大器、波导充气机、电脑、监视器多路综合参数测量仪和多通道报警系统监测机柜均采用交流220 V供电, 同时220 V电源线路与信号线使用同一电缆沟和电缆槽, 这种情况在各市微波站机房中普遍存在。这种情况导致了如下状态的出现:1) 同一微波机房中, 需要同时用交直流电源对不同机械的负载设备供电。2) 在同一个机器中, 需要同时用交直流电源对不同的机柜的负载设备供电。3) 在同一机柜中, 需要同时用交直流电源对负载设备供电。
2 模拟微波机房交直流混合供电带来的问题
1) 机房安全存在很大隐患
未改造前模拟微波机房里面有交流、直流负载设备, 导致机房里交、直流负载设备交、直流无法分离, 供电消防安全问题比较突出。
为了提升整体微波通信运行质量和安全水平, 各地都花费巨资开展机房安全整治工作, 重点是消除电源设备、电缆走线和消防报警等方面存在的安全隐患。具体项目包括3线分离 (交流线、直流线及信号线3线分离走线) , 架空地板拆除, 下走线改上走线, 消防设施整改等。通过这些整改工作, 机房的安全等级有了明显的提高。目前, 我省通往各市干线的微波机房是广电传输网络最重要的枢纽机房之一, 但现在这些机房在供电方面的配置却存在不容忽视的安全隐患。如离石站机房里有大量交流、直流电线, 与信号电缆交错走线, 必然给三线分离的工作造成极大的困难。特别是同一列的机械中既有直流设备柜, 又有交流负载设备柜, 交直流电源电缆一定会挤在一起, 电源输出端子和设备又没有明显的电压等级标识, 将成为机房安全方面的最大的隐患。
2) 增加电源等基础设施的建设成本
按照目前的供电方式, 每一套系统都要有交流和直流两套电源系统供电, 从基础设施建设的角度看, 必然使电源的建设成本增加, 造成整体的建设成本加大。虽然现在容量小, 但随着广播电视节目套数的增加和系统的扩容, 负荷的增加必将促使建设独立的电源系统。根据现在快速发展的善, 从长远来看, 这种投资必不可少。
3) 机房维护管理难度增大
从电源系统维护角度来说, 对一个交直流滥用的机房, 既要维护直流电源系统、又要维护220 V交流电源系统, 无疑增加了维护工作量。而且对同一个系统来说, 需要两种电源供电, 任何一种电源掉电, 都会对安全播出造成严重的后果。就这种供电模式而言, 电源系统数量越多, 出问题的概率越大, 运行维护管理将会遇到更多的问题。
4) 提高了对电磁防护的要求
随着电子设备的集成度越来越高, 系统设备对电磁兼容性的要求也越来越严格。而由于交直流混合供电造成过多的交直流变换, 必将导致谐波等电磁干扰大大增加, 形成对微波传输系统设备控制信号的干扰源, 微波传输网络的疑难故障也会增加。
综上所述, 借助对微波数字电路供电系统的改造, 使全部设备采用单一的直流供电方式。
3 统一使用直流电源作为系统供电电源
1) 由于数字电路微波统一使用直流-48 V开关模块电源, 所以直流-48 V微波数字电源技术已经非常成熟, 它是一种模块化的设备, 直接使用蓄电池组作为后备电源, 一般后备工作时间在数小时以上, 具有工作可靠、维护方便的特点。这种供电方式经不少微波通信站的使用, 证明是安全有效、切实可行的。
2) 从安全供电角度来说, 由于本质的区别, 交流电源系统与直流系统比较, 其安全系数要低得多 (二者不是同一档次) 。虽然就单个设备而言, 通过冗余技术可以使设备本身的可靠性提高 (例如UPS主机已经可以达到99.99999%) , 但对整个交流供电系统而言有很多不可备份的单独故障点, 这些单点故障, 都会影响到整个系统的安全供电。
3) 交流系统主要使用UPS提供后备供电, 而目前受UPS系统技术和设计所限, 后备时间一般都在1 h以内, 远比直流系统的后备时间短得多。
4) 对于数字微波传输网络设备来说, 直流电源仅在使用市电时需要进行一次整流交换, 其余均为直接供电。而交流电流通过对设备供电时往往需要经过多次的AC/DC或DC/AC的变换。因此, 从原理上来说, 直流电源系统的效率比交流电源系统要高。
5) 从建设成本比较, 不可否认, 在现有技术条件下, 直流开关模块电源系统的造价远低于UPS系统。我们认为, 目前数字微波机房设备全部使用直流-48 V数字开关电源, 是最安全、最可靠的解决方案。
4 设备使用直流电源的可行性
按照供电方式, 目前数字微波机房的设备可以分为使用直流电源和交流电源两类。一类是数字微波设备, 本身就是直流-48 V数字开关模块电源;另一类是视音频切换器、电缆视频校正放大器、视音频分配放大器、电脑、波导充气机、监视器以及多路综合参数测试仪和多通道报警系统监测机柜。这一类设备通常都是品牌设备, 可与生产厂家直接联系, 采用特殊的直流供电方式定制。根据我站最近与视音频切换器、电缆视频校正放大器生产厂家联系, 均愿意提供或改造现有设备的供电直流-48 V措施。从目前高科技发展的状况看, 设备电源已不是生产厂家的难事了。由此看来, 微波数字电路机房的设备使用直流电源在技术上和商务上均是可行的。
5 结论和建议
当前, 借助这次模拟微波电路全部更新改造为数字微波电路的契机, 在采用单一直流供电方式之时, 对原机房设备用电需求混乱带来的不安全因素和维护压力, 应加以重视, 借此机会予以彻底解决。否则将会给运行维护带来不便与安全隐患, 甚至会导致严重的事故, 给安全播出带来严重后果。
根据现代微波传输现状和电源安全的要求, 本人有如下建议。
1) 从微波机房的电源维护和消防安全考虑, 应明确机房内所有微波传输的相关配套设备统一使用-48 V电源作为供电电源。
2) 尽快制定“数字微波机房设备供电技术要求”的技术规范, 明确相关的技术要求、技术指标。
3) 在数字微波机房设备的工程规划、设计、建设阶段就将电源问题解决好。在技术方案和设备采购过程中, 相关部门应向设备厂家明确提出设备采用直流电源供电的技术指标与相关要求, 选择使用针对广播电视部门的直流标配产品。
4) 设备厂家在设计和生产广电微波相关设备时, 应明确规范设备应采用-48 V直流电源供电, 统一采购-48 V直流电源供电的标配配套产品。
6 结束语