一種基于PIC18單片機(jī)的數(shù)字控制直流變換器的設(shè)計?

劉 康

（南京理工大學(xué) 南京 210094）

一種基于PIC18單片機(jī)的數(shù)字控制直流變換器的設(shè)計?

劉 康

（南京理工大學(xué) 南京 210094）

采用傳統(tǒng)模擬控制方式的直流變換器，由于其硬件結(jié)構(gòu)和控制方式比較固定，限制了開關(guān)電源的開發(fā)的靈活性和可拓展性，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和在電力電子領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷加深，利用數(shù)字方式進(jìn)行控制逐漸取代模擬控制方式來成為高性能開關(guān)電源開發(fā)的首選。論文提出一種基于PIC18單片機(jī)，主功率電路采用有限雙極性控制的ZVZCS-PWM全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)字控制直流變換器的設(shè)計方案。經(jīng)驗證該設(shè)計方案合理可行，設(shè)計出的數(shù)字控制直流變換器擁有較高輸出精度和轉(zhuǎn)換效率。

全橋直流變換器；數(shù)字控制；PIC18單片機(jī)；有限雙極性

1 引言

傳統(tǒng)采用模擬控制方式的電源電路使用的器件和芯片較多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且可以實現(xiàn)的控制方式單一。一旦需要對電源的硬件設(shè)計或者控制方法進(jìn)行更改或優(yōu)化，需要更換器件甚至重新制作電路板，這大大制約了電源開發(fā)的靈活性和可拓展性。雖然近些年來一些研究人員采用采用“模擬控制電路+MCU監(jiān)控”的開發(fā)模式，但還是沒有充分發(fā)揮MCU所起到的數(shù)字化、智能化作用，而僅僅將一種監(jiān)控手段。而采用數(shù)字控制系統(tǒng)的研發(fā)的電源，電路結(jié)構(gòu)精簡，元器件使用比模擬電路少，減少了元器件老化對電源工作性能的影響，并且數(shù)字控制系統(tǒng)抗干擾性強，工作穩(wěn)定，相比模擬控制方式控制精度大大提高［1］。同時數(shù)字控制系統(tǒng)的控制算法是通過軟件實現(xiàn)，隨時可以對控制算法進(jìn)行更改和優(yōu)化，大大提高了數(shù)字控制電源的適用性和可拓展性。

PIC18系列微控制器（MCU）采用16位的類RISC指令系統(tǒng)，具有管腳功能齊全、抗干擾能力強以及低成本低功耗等優(yōu)點，已被應(yīng)用于嵌入式開發(fā)的眾多領(lǐng)域［2］。本文采用有限雙極性控制下的ZVZCS-PWM拓?fù)渥鳛橹鞴β孰娐罚O(shè)計了一套基于PIC18單片機(jī)的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，來完成簡化電路結(jié)構(gòu)、提高電源控制精度和轉(zhuǎn)換效率的目的。

2 主功率電路設(shè)計

2.1 ZVZCS-PWM全橋變換器電路結(jié)構(gòu)

有限雙極性控制控制ZVZCS-PWM全橋變換器功率主電路如圖1所示。其中S1、S2兩個開關(guān)管組成超前橋臂，并分別并聯(lián)吸收電容用來實現(xiàn)超前橋臂的ZVS，S3、S4兩個開關(guān)管組成滯后橋臂，利用隔直電容Cb來實現(xiàn)滯后橋臂的ZCS。圖中電感L1為主變壓器漏感。

圖1 有限雙極性控制ZVZCS-PWM全橋拓?fù)?/p>

2.2 電路工作原理及ZVZCS的實現(xiàn)

有限雙極性控制方式下，各開關(guān)管驅(qū)動信號時序圖如圖2所示。其中ug1、ug2為脈寬可調(diào)的定頻PWM信號；ug3、ug4為互補方波，頻率固定，脈寬為開關(guān)周期的1/2，考慮避免“直通”問題，實際使用中需要在；ug3、ug4之間加入一個固定的死區(qū)時間。對角線上的ug1、ug4同時開通，ug2、ug3同時開通。ucb為隔直電容Cb上的電壓，其幅值取決于Cb的大小和其他條件，Cb越小ucb幅值越大，滯后橋臂ZCS越容易實現(xiàn)，但是也會增加開關(guān)管所受的電壓應(yīng)力，一般情況下使ucb最大值小于直流輸入電壓的1/10即可［3］。

圖2 有限雙極性控制下各開關(guān)管驅(qū)動時序圖

下面就有限雙極性控制下ZVZCS工作過程進(jìn)行簡要的分段分析：

1）（t0～t1）t0時刻，S1、S4同時導(dǎo)通，變壓器初級電流ip開始開始上升，從S1流向L1、主變壓器、Cb最后到S4。功率從從初級流向次級，同時隔直電容Cb上的電壓開始上升。為了簡化分析暫不考慮變壓器的勵磁電流和次級電流I0的波動，因此變壓器初級電流ip(t)為

上式中Iop為變壓器初級在t0時刻的電流，n為變壓器原副邊匝數(shù)比。在實際電路中，由于次級整流二極管存在反向恢復(fù)過程，所以ip(t)的上升沿應(yīng)存在一個尖峰。

Cb兩端的電壓ucb(t)為

其中，ucbp為隔直電容Cb上的最大電壓。

2）（t1～t2）t1時刻，S1通過ZVS方式關(guān)斷，初級電流ip(t)通過并聯(lián)電容C1（充電），C2（放電）繼續(xù)沿原方向流動。C2通過一段時間的放電，在t12時刻，電壓降為零，S2上的反并聯(lián)二極管開始續(xù)流。此過程中，電容C2兩端電壓uc2(t)的變化過程為

并且有

上兩式中，Iopt為變壓器在t1時刻的初級電流，Vdc為輸入端直流母線電壓?？梢钥闯鯟1、C2越大，超前橋臂由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止后，C2上的電壓降至零的過渡時間越長，因此超前橋臂ZVS實現(xiàn)的越好。且在輕載情況下即Iopt較小時，過渡時間也越長，這就比移相全橋控制在輕載情況下ZVS實現(xiàn)的好［4］。

由于Cb兩端電壓的影響，在t2時刻環(huán)流衰減至零，則變壓器初級電流的變化過程為

所以環(huán)流持續(xù)時間為

此時ucbp(t)達(dá)到最大值Ucbp。由此可近似得到

3）（t2～t3）t2時刻后變壓器初級電流降為零，到t21時刻S4關(guān)斷，此時S4上的電壓電流均為零，S4是經(jīng)ZVZCS方式關(guān)斷，經(jīng)過一個固定死區(qū)時間后，在t3時刻，S2、S3同時導(dǎo)通，由于此時S2兩端的電壓Ucbp，且設(shè)計保證Ucbp小于1/10的Vdc，且此時環(huán)流已經(jīng)衰減至零，可以近似認(rèn)為S2是經(jīng)過ZVZCS方式開通的。

t3時刻后之后，開始后半個周期，其工作過程與前半個周期類似。

3 基于PIC18單片機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計方案

基于PIC18單片機(jī)的直流變換器數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，以PIC18單片機(jī)作為數(shù)字控制核心。輸出采集電路將當(dāng)前輸出的電壓電流信號通過PIC18內(nèi)部的ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后與通過數(shù)字觸摸屏交互給定的輸出值進(jìn)行比較，利用誤差反饋調(diào)節(jié)當(dāng)前PIC18的PWM輸出信號，經(jīng)隔離驅(qū)動電路對功率主電路中的開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動。以數(shù)字觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管和實體按鍵作提供一體式的交互手段，通過異步串口與PIC18進(jìn)行通信，不僅可以輸入給定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，同時也可以顯示當(dāng)前的輸出電流電壓值。保護(hù)電路通過輸出采集電路和輸入采集電路采集對輸入端和輸出端進(jìn)行輸入欠壓，輸入過壓，輸出過壓和輸出過流保護(hù)，當(dāng)保護(hù)電路一旦檢測到發(fā)生以上其中任何一個故障，就會產(chǎn)生一個低電平信號觸發(fā)PIC18的特殊功能中斷，PIC18將會立即停止所有PWM輸出，從而到達(dá)保護(hù)系統(tǒng)的目的，這個保護(hù)過程是由硬件完成，可靠性高。輔助供電模塊負(fù)責(zé)向PIC18、驅(qū)動隔離電路，以及其他相關(guān)的采集或比較電路提供工作電壓和參考電壓?；赑IC18的控制電路如圖4所示。

圖3 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖

圖4 基于PIC18F25K22的控制電路

3.2 有限雙極性PWM驅(qū)動的實現(xiàn)

由于PIC單片機(jī)的PWM輸出模塊——CCP模塊的PWM工作模式下四路輸出都為相同占空比和周期的PWM信號，在實際工程中驅(qū)動電機(jī)或者逆變橋時較為不便。因此在PIC18系列單片機(jī)中為CCP模塊添加了新的ECCP（增強型PWM模式）工作模式［5］，用來應(yīng)對實際工程應(yīng)用可以在四路輸出上同時產(chǎn)生不同的PWM信號來應(yīng)對不同是使用場合，其工作原理與普通PWM模式一致，并且ECCP模式下還能提供PWM自動關(guān)閉、自動關(guān)閉、可編程死區(qū)時間和PWM轉(zhuǎn)向模式等功能。ECCP模式可以產(chǎn)生以下五種PWM輸出模式：

1）單PWM；

2）半橋PWM；

3）全橋PWM，正向模式；

4）全橋PWM，反向模式；

5）帶PWM轉(zhuǎn)向模式的單PWM。

由于本設(shè)計采用有限雙極性控制全橋拓?fù)?，超前橋臂兩個開關(guān)管用兩個獨立基準(zhǔn)定時器的標(biāo)準(zhǔn)CCP模塊進(jìn)行驅(qū)動，利用定時手段產(chǎn)生半周期的相位延遲。滯后橋臂兩開關(guān)管脈寬時間固定，均為周期的50%，一個周期內(nèi)脈寬信號互補。因此為了減少使用多個PWM模塊獨立輸出時可能產(chǎn)生的誤差，使用ECCP模塊的半橋模式為滯后橋臂兩開關(guān)管提供PWM驅(qū)動，ECCP半橋模式下，PxA引腳輸出被調(diào)制的PWM信號，PxB輸出其互補信號，并且可以利用PWMxCON寄存器設(shè)置可編譯死區(qū)時間，防止產(chǎn)生“直通”問題［6］。ECCP模式下也支持自動關(guān)閉功能，利用外部信號觸發(fā)INT0中斷，自動關(guān)閉PWM輸出，為保護(hù)電路的功能實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。利用標(biāo)準(zhǔn)CCP模塊和ECCP模塊混合使用產(chǎn)生有限雙極性PWM輸出的時序圖如圖5所示。

圖5 PIC18輸出的有限雙極性控制PWM驅(qū)動波形

PWM輸出信號周期的確定相對比較簡單，主要取決于專用的特殊功能寄存器PR2中的預(yù)設(shè)值。當(dāng)定時器TMR2啟動定時模式后，其基準(zhǔn)觸發(fā)頻率就是單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核頻率的4分頻。TMR2還可以帶一個可編程的預(yù)分頻器。PWM信號周期的公式關(guān)系如下：

其中：Tosc為系統(tǒng)的時鐘周期，4Tosc為系統(tǒng)的指令周期，TMR2預(yù)分頻值可以取1、4或16，PR2為周期寄存器的初始值。

PWM輸出的占空比是通過對脈寬寄存器進(jìn)行設(shè)定實現(xiàn)的，CCP模塊的脈寬寄存器是一個10位的符合單元，數(shù)值等于PR2周期寄存器設(shè)定的周期值乘以需要輸出的PWM占空比，其高8位是通過CCPRxL來設(shè)定脈寬數(shù)值的整數(shù)部分，低2位是通過CCPxCON＜5，4＞兩位來設(shè)定脈寬數(shù)值的小數(shù)部分，PWM脈寬（高電平持續(xù)時間）計算公式如下：

3.3 數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，采用主循環(huán)加中斷子函數(shù)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。除串口通信函數(shù)需要與觸摸屏進(jìn)行周期性通信外，其余軟件模塊都以中斷子函數(shù)的形式與主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用和返回。

圖6 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

各軟件模塊的具體功能如下：

1）USART串口通信模塊，使用PIC18單片機(jī)的USART模塊的異步模式和數(shù)字觸摸屏進(jìn)行串口通信，將電源當(dāng)前輸出參數(shù)和故障檢測狀態(tài)等參數(shù)發(fā)送給觸摸屏；接收觸摸屏發(fā)送的工作模式和輸出參輸?shù)脑O(shè)定數(shù)據(jù)，跟根據(jù)通信協(xié)議打包和解算通信數(shù)據(jù)。

2）A/D轉(zhuǎn)換模塊，將外部采樣電路采集到的電流電壓模擬信號量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號量數(shù)據(jù)儲存起來，或經(jīng)過串口通信模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，或送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)模塊來對占空比進(jìn)行調(diào)控。

3）數(shù)字控制算法模塊，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換模塊完成一個周期的采樣后，采用無靜差二次型最優(yōu)控制算法得到一組新的PID參數(shù)［7］，并將從串口通信模塊獲得的電源輸出的設(shè)定值作為參考值與A/D轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)果值進(jìn)行比較，將差值送入數(shù)字PID控制程序計算出當(dāng)前輸出控制量，用該控制量調(diào)節(jié)當(dāng)前輸出的占空比［8］，再將占空比送入PWM輸出模塊。

4）PWM輸出模塊，使用PIC18單片機(jī)的PWM輸出功能，根據(jù)數(shù)字PID調(diào)節(jié)模塊最后計算出的占空比輸出相應(yīng)的PWM信號送入外部開關(guān)管驅(qū)動電路。

4 系統(tǒng)測試

本方案設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用于一款輸入200-240VDC，輸出DC電流5-36A恒定可調(diào)，輸出DC電壓最大0-52V，使用IGBT作為開關(guān)器件，開關(guān)頻率50KHz的高頻開關(guān)電源模塊的設(shè)計中。系統(tǒng)相關(guān)測試波形如下：圖7為超前橋臂在輕載（40%）和重載（100%）時實現(xiàn)ZVS零電壓開關(guān)的波形，其中通道1為IGBT門極與集電極之間的驅(qū)動信號ugc波形，通道2位IGBT發(fā)射極與集電極之間的管壓uec波形，可以看出，由于超前橋臂開關(guān)管的并聯(lián)緩沖電容的存在，開關(guān)管管壓的上升沿和下降沿放緩，使得其在驅(qū)動信號上升沿到來前已經(jīng)降為0，在驅(qū)動信號下降沿到來之后才上升，很好地實現(xiàn)了超前橋臂開關(guān)管的ZVS零電壓開關(guān)。

圖7 超前橋臂輕載和重載時ZVS波形

圖8 為滯后橋臂在輕載（40%）和重載（100%）時實現(xiàn)ZCS零電流開關(guān)的波形，其中通道1為IGBT發(fā)射極與集電極之間的管壓uec波形，通道2位為IGBT集電極流過的電流Ie波形，可以看出，當(dāng)IG?BT開通時，由于高頻變壓器漏感的存在，變壓器原邊電流延遲了一小段時間后才開始上升［9］，集電極電流和管壓幾乎沒有交疊產(chǎn)生，實現(xiàn)了滯后橋臂開關(guān)管的ZCS零電流開通，而在IGBT關(guān)斷時，集電極電流也在管壓上升沿到來前降為零，實現(xiàn)了滯后橋臂開關(guān)管的ZCS零電流關(guān)斷［10］。

圖8 滯后橋臂輕載和重載時ZCS波形

可以看出該電源模塊可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管的ZVZCS軟開關(guān)，有效減小了開關(guān)管的開關(guān)損耗，從而提高電源轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)測試整機(jī)效率最高可達(dá)到90%以上，輸出電流的控制精度小于1%。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于PIC18單片機(jī)的數(shù)字控制有限雙極性ZVZCS-PWM全橋直流變換器，經(jīng)過測試，系統(tǒng)性能良好。可以在較大的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)超前橋臂開關(guān)管的ZVS零電壓開關(guān)和滯后橋臂開關(guān)管的ZCS零電流開關(guān)，從而減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。同時，采用數(shù)字控制算法提高系統(tǒng)控制精度，數(shù)字控制系統(tǒng)也使得電路設(shè)計簡化，提高電路的可靠性和抗干擾能力。

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Design of a Digital Control DC/DC Converter Based on PIC18 MCU

LIU Kang
（Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094）

The DC/DC converter which adoptes traditional analog control method has relatively fixed hardware construction and control method.It's restricted the flexibility and the expansibility of the R&D of power supply.Along with the development of em?bedded technology，it has widely used in power electronics field，The digital control method is gradually taking the place of analog control method and become the first choice used in the development of high-performance power supply.This paper proposes a de?sign of digital control DC/DC converter based on PIC18 MCU，and adoptes full-bridge DC/DC converter which uses limited bipolar control mode as its main circuit topology.This design has been proven to be practicable，the power supply made by this design has high efficiency and control accuracy of output.

full-bridge converter，digital control，PIC18 MCU，limited bipolar

Class Number TH311

TH311

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.042

2017年6月8日，

2017年7月29日

劉康，男，碩士研究生，研究方向：高頻開關(guān)電源設(shè)計和嵌入式軟件開發(fā)。