基于PWM雙閉環(huán)的檢測儀器開關(guān)電源設(shè)計(jì)

楊超麟

【摘 要】介紹了一套基于PWM的雙閉環(huán)的檢測儀器開關(guān)電源系統(tǒng)，敘述了雙閉環(huán)電源系統(tǒng)的構(gòu)建方法，該設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源屬于大電流低電壓，控制核心為脈寬調(diào)制控制電路。本開關(guān)電源的核心技術(shù)部分是PWM脈沖寬制調(diào)制，采用國外先進(jìn)的直流-直流變換處理器，能夠保證電壓和電流的穩(wěn)定輸出。根據(jù)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求，列出電路結(jié)構(gòu)、核心控制部分、電流電壓等重要參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源工作穩(wěn)定，能夠使檢測儀器穩(wěn)定可靠的工作。

【關(guān)鍵詞】PWM；雙閉環(huán)；檢測儀器；開關(guān)電源

0 引言

隨著我國科技不斷穩(wěn)步發(fā)展，越來越多的設(shè)備需要用到電源，如：穩(wěn)壓電源、直流電源、交流電源等等。但隨著設(shè)備先進(jìn)性的不斷提高，設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，對電源的要求也越來越高，特別是檢測儀器儀表，精度要求非常高，需要有非常穩(wěn)定可靠的電源來確保測量精度。因此，開關(guān)電源取代普通的電源設(shè)備，廣泛應(yīng)用于檢測儀器儀表中。本文設(shè)計(jì)一種基于PWM脈沖寬制調(diào)試的雙閉環(huán)開關(guān)電源，采用國外先進(jìn)的全波整流控制器，該控制器工作模式不僅可以是電流式也可以是電壓式，還能夠?yàn)橹C振零電壓開關(guān)提供高效、高頻的解決方案，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文采用全橋整流裝置，利用雙閉環(huán)負(fù)反饋的直流-直流變換控制系統(tǒng)，能太太提高開關(guān)電源的電壓、電流等精度，符合檢驗(yàn)檢測儀表行業(yè)的要求。

1 檢測儀器電源系統(tǒng)概況

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，便攜式電子產(chǎn)品被越來越多的消費(fèi)者親睞。與此同時(shí)，解決能量消耗即電源管理問題成為重中之重。因此，具有高效節(jié)能特型的開關(guān)電源在近年來發(fā)展迅速，并在計(jì)算機(jī)通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。而PWM型開關(guān)電源芯片就具備了此類特性，其核心技術(shù)集中在控制環(huán)節(jié)。此設(shè)計(jì)采用PWM控制電路，適用于開關(guān)電源芯片控制。對PWM調(diào)制電路為保證開關(guān)電源正常工作應(yīng)具有的功能展開分析，得到設(shè)計(jì)要求。對PWM控制電路的組成模塊、分類、基本原理及各項(xiàng)性能指標(biāo)，進(jìn)行細(xì)致深入的研究，最后得到調(diào)制電路的基本電路結(jié)構(gòu)及滿足性能指標(biāo)的組成模塊，對各個(gè)模塊的功能和邏輯是電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，最終該電路實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生一定脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功能。

2 系統(tǒng)控制原理圖

雙閉環(huán)負(fù)反饋PWM秒沖寬制調(diào)制系統(tǒng)中，有兩級的反饋系統(tǒng)。串級系統(tǒng)即是電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速反饋構(gòu)成外環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流反饋。本方案設(shè)計(jì)三處進(jìn)行系統(tǒng)的電流取樣反饋，取樣電流值和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流值相比較，當(dāng)取樣電流值過大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)降低工作電流；但取樣的電流過小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)提高工作電壓，這是內(nèi)環(huán)電流反饋的工作情況。外環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)通過電壓檢測裝置檢測系統(tǒng)的電壓情況，再與設(shè)計(jì)的電壓值相對比進(jìn)行電壓高低的調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果。基于雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)思想，圖1中的各個(gè)部分相互獨(dú)立工作、互不影響，如果某一部分出現(xiàn)故障，不影響另一部分系統(tǒng)的工作，系統(tǒng)內(nèi)部由電流形成負(fù)反饋，外部由電壓形成負(fù)反饋系統(tǒng)。電流電壓負(fù)反饋一起運(yùn)作，能太太的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和進(jìn)度，滿足檢測儀器儀表的使用要求，達(dá)到良好的效果。雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1所示虛線框中的1#.2#.…….N#是各個(gè)高頻開關(guān)電源，其穩(wěn)壓或穩(wěn)流精度很高，原因在于該內(nèi)部自動(dòng)控制原理圖最終可以簡化為一階系統(tǒng)比例積分環(huán)節(jié)，圖中它們工作在穩(wěn)流狀態(tài)下。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

圖2為開關(guān)電源的硬件電路組成部分，設(shè)計(jì)采用國外先進(jìn)的放大器作為本設(shè)計(jì)的核心器件。芯片的1腳與3腳相連接，構(gòu)成差分放大，能有效的減小誤差，提高設(shè)計(jì)的精度。

圖2所示輸出法人取樣電壓通過R5和R6設(shè)置，電壓輸出端與電阻5和6形成零點(diǎn)電位，電阻1/2/3與電容1/2/3形成效應(yīng)，與PI構(gòu)成補(bǔ)償系統(tǒng)，電阻1和7在電路中形成增益作用。在電流內(nèi)環(huán)中加入斜坡補(bǔ)償以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。硬件電路通常容易出現(xiàn)不對稱信號(hào)的問題，本設(shè)計(jì)利用電壓負(fù)反饋補(bǔ)償信號(hào)的作用，將電阻8作為上拉電阻提供直流電壓，與RC構(gòu)成的多謝震蕩器作用，提供反饋電壓，從而解決波形的不對稱性。圖中電流檢測信號(hào)Is經(jīng)過I-V變換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。芯片741是一個(gè)PWM脈沖寬制比較器，根據(jù)比較器原理，依據(jù)三極管放大電路原理，在芯片3腳接地，芯片的2腳相當(dāng)于一個(gè)反相輸入端，對信號(hào)進(jìn)行比較。其內(nèi)部的過流及限流比較器實(shí)現(xiàn)逐周期過流及限流保護(hù)。當(dāng)2 V2.5 V時(shí)，執(zhí)行過流保護(hù)模式。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)依據(jù)3895芯片，利用雙閉環(huán)負(fù)反饋的原理，引入電流負(fù)反饋和電壓負(fù)反饋，提高了開關(guān)電源的精度，利用PWM脈沖寬制調(diào)制技術(shù)，提高了電源變換的效率和穩(wěn)定了。開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，對該系統(tǒng)多次進(jìn)行調(diào)試測，反饋結(jié)果穩(wěn)定良好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，證明本方案是可行的。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]