一種升流型電流/電壓轉換電路的設計與仿真

王彥凱，周學軍，張 政

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一種升流型電流/電壓轉換電路的設計與仿真

王彥凱，周學軍，張 政

（海軍工程大學電子工程學院，武漢 430033）

針對采用直流恒流供電的水下基礎信息網絡中的終端用電設備的供電問題，本文提出了一種新的電流/電壓轉換電路，能夠使輸出電流大于輸入電流。設計合理的反饋控制電路，對輸出電壓進行反饋調節，從而達到所需特定電壓。通過理論分析和電路仿真，驗證了該方案能夠實現升流和輸出特定的恒壓。

直流恒流 升流 電流/電壓轉換 PWM 水下基礎信息網絡

0 引言

長期以來，我國對海洋的觀測通常是通過艦船、飛機和衛星等方法，這些傳統手段獲取的信息往往是表面的、零星的、短暫的。隨著我國周邊海洋安全形勢日趨嚴峻和對海洋科研和開發的需要，傳統的觀測平臺已經無法滿足我國未來海上軍事和海洋科研、開發的需求。與傳統觀測平臺相比，水下基礎信息網絡能夠將深海大洋置于人類的檢測視域之內，不僅能對海洋進行長期、連續、不間斷地觀測，也具備實時檢測和預警、通信能力，這對我國的科研和國防以及海洋資源開發都具有重大作用[1-4]。

水下基礎信息網絡由海光纜、數據傳輸設備、檢測管理設備、終端設備以及其他輔助設備組成，這些設備都是有源設備，需要岸基電源進行供電。遠程供電分為交流輸電和直流輸電，如果采用交流輸電，海纜會與海地形成旁路電容和電感，影響系統穩定性，增大電能損耗。直流供電又分為恒流和恒壓兩種供電方式。與恒壓相比，恒流供電具備故障自愈能力強，故障定位容易，擴展性好等優點，但水下的有源設備需要恒壓源供電，如果采用恒流供電，就需要恒流源轉恒壓源的模塊來實現對水下設備的供電[5-8]。

若轉換模塊的輸出電流小于輸入電流，就會限制輸出功率，制約水下基礎信息網絡平臺的實用性和擴展性，因此設計能夠使輸出電流大于輸入電流的電流/電壓（C/V）轉換模塊對于未來水下基礎信息網絡平臺的發展具有重要意義。

1 轉換電路總體設計

電路設計框圖如圖所示，額定輸入為1.5 A直流恒流，目的是使輸出電流大于1.5 A，并得到穩定的特定負載電壓。通常由海底光纜對系統進行供電，常見的水下用電設備的額定電壓有12 V、24 V以及48 V[9]。

圖1 電路總體設計

輸出電壓經采樣后送至PWM控制器，PWM控制器輸出兩路互補的PWM控制信號，通過控制主電路MOS管的導通與關斷來調節輸出電壓，形成了閉環控制。

2 主電路設計與分析

圖2 主電路示意圖

圖2中C是輸入端接入電容，具有儲能作用和能量轉換功能；L是儲能和轉換電感，同時具有濾波作用；D是續流二極管，同時具有隔離作用；RL是負載等效電阻；Q是由PWM脈沖信號控制的電子開關；i是輸入電流，o是輸出電流，o是輸出電壓，g是開關管控制脈沖。

反饋控制電路不輸出脈沖時，功率開關管Q截止，恒流源將電流全部用于給儲能電容C充電，經過截止時間off后，反饋控制電路輸出正脈沖，功率開關管導通，因二極管D存在，此時恒流源電流與儲能電容C釋放的電流一同流經電感，為負載電阻RL供電，而電感L中的電流逐漸上升，L兩端的電壓約為i?o，L將電能轉化為磁能儲存起來，經過導通時間on后，功率開關管Q截止，恒流源再次為儲能電容充電。因L中電流不能突變，這時L兩端產生右端正左端負的自感電勢抗拒電流下降，二極管D會正向偏置導通，L、RL和D構成回路，回路電流值逐漸下降，L中儲存的磁能轉化為電能釋放出來供給負載RL，經過截止時間off后，重復上述過程，最終達到電路穩定工作。

圖中除開關為模型外，其余都是普通元器件。開關可用雙極型晶體管、場效應管以及IGBT等電子開關實現，控制脈沖可用各種PWM集成電路來實現。

電路到達穩定工作狀態時：

從電感分析如下：

功率開關管Q導通時，電感L兩端的電壓約為i?o，將電能轉化為磁能儲存起來，電流增加量為：

Q截止時，電感L向負載供能，磁能轉化為電能，電流減少量為：

其中為控制脈沖周期。

只考慮理想狀態，除負載外，電路無能量損耗，則輸入功率等于輸出功率，即：

其中為控制脈沖占空比。

從電容分析如下：

功率開關管Q導通時，電容C放電，電容兩端電壓減少量為：

功率開關管Q截止時，電容C放電，電容兩端電壓增加量為：

調節控制脈沖占空比，可以調節輸出電流o，因為占空比滿足0≤≤1，所以o≥i。

通過理論分析，可知該電路在理論上能夠實現輸出電流大于輸入電流的功能，對輸出電壓取樣并反饋到控制電路，通過調節控制脈沖占空比就能夠得到穩定的輸出電壓。

圖3 主電路波形

圖3為該電路關鍵節點電流或電壓隨時間變化的波形圖，其中i是輸入電流，g是開關管控制脈沖，Q是流過開關管的電流，i是電容C兩端的電壓，L是流過電感L的電流，o是輸出電壓。

3 控制電路

3.1 反饋及控制電路原理

為實現電流/電壓轉換，在輸出端取樣電壓值反饋至PWM的誤差電壓輸入端，通過調整控制脈沖占空比間接調整輸出電壓使之穩定在某一值，取樣輸出電壓可以采用使用采樣電阻或使用霍爾電壓傳感器等方法。

圖4中ref是基準電壓，通常在PWM集成芯片內部產生；使用采樣電阻采樣輸出電壓，R1、R2是采樣分壓電阻，通過采樣R2的電壓f與基準電壓ref進行比較進而來改變PWM輸出占空比，從而使輸出電壓為恒定值。

主電路與反饋控制電路之間通過匝數比為1：1的變壓器實現電氣隔離，PWM信號輸出到變壓器的初級線圈，在次級線圈上產生相同幅度和相位的信號來控制主電路電子開關的導通與關斷。

圖4 反饋及控制原理示意圖

3.2 控制電路設計

控制電路的核心器件為PWM控制芯片，這里采用了SG3525。采樣電壓接入誤差放大器的同相輸入端；16腳輸出的5.1 V基準電壓經電阻R1和R2分壓后作為比較電壓接入誤差放大器的反相輸入端。腳5外接電容CT，腳6外接電阻RT，腳5和腳7之間接電阻RD，一般通過改變T和T的值來調節芯片PWM波形的輸出頻率，其頻率的計算公式為：

T的取值范圍為1 nF-0.1 μF，T的取值范圍為2 kΩ~150 kΩ。芯片的震蕩頻率為100 Hz-500 kHz。

4 仿真分析

4.1 主電路仿真分析

主電路使用SABER進行仿真，控制電路用可以輸出理想的脈沖信號的PWM脈沖源代替，通過調節其周期與高電平時間來調節占空比。電子開關使用增強型MOS場效應管，脈沖周期為50 μs，輸出12 V脈沖電壓以驅動MOS場效應管。電流源提供1.5 A直流電流，負載等效電阻為5 Ω，仿真時長5 s。

圖5 主電路仿真電路

圖6 主電路仿真波形圖

仿真波形圖如圖6所示，波形1和4分別是占空比為15.625%時負載等效電阻R上的仿真電壓和仿真電流，波形2和5分別是占空比為31.25%時負載等效電阻R上的仿真電壓和仿真電流，波形3和6分別是占空比為62.5%時負載等效電阻R上的仿真電壓和仿真電流。

表1 主電路仿真數據

由圖6和表1可知，在軟件環境下對主電路進行仿真，得到了較為理想的仿真結果，仿真電壓和仿真電流較為接近理論值，且電路能夠在較短時間內達到穩定狀態，獲得穩定的電壓輸出。

4.2 帶控制電路的仿真分析

使用PSpice對帶控制電路的完整電路進行仿真，圖7中L為負載等效電阻，阻值為5 Ω，電阻1、2為電壓采樣電阻，仿真軟件中芯片的震蕩頻率可以直接設置，這里的設定值為20 kHz。

在采樣電阻1、2阻值固定的情況下，通過改變分壓電阻3、4的阻值來調節輸出電壓，即負載等效電阻L兩端的電壓。輸出電壓o與分壓電阻3、4阻值的關系為：

電阻1和2的取值應盡量大以減少電能在取樣電阻上的損耗。

圖7 帶控制電路的仿真電路

仿真波形圖如圖8所示，波形1和4分別是設定輸出為48 V時負載等效電阻L上的仿真電壓和仿真電流，波形2和5分別是設定輸出為24 V時負載等效電阻L上的仿真電壓和仿真電流，波形3和6分別是設定輸出為12 V時負載等效電阻L上的仿真電壓和仿真電流。

由圖8和表2可知，該電路能夠實現升流以及C/V轉換，并能夠較快的達到穩定的工作狀態，得到特定的輸出電壓。當輸出電壓發生變化時，該電路能夠通過反饋電路迅速調整控制脈沖的占空比，從而得到較為穩定的輸出電壓。

圖8 帶控制電路的仿真波形圖

表2 帶控制電路的仿真數據

5 結論

本文提出了一種新的C/V轉換電路來為水下基礎信息網絡平臺上的用電設備提供恒壓供電，能夠實現輸出電流大于輸入電流，提高了輸出功率，增強了平臺的擴展性和實用性。通過理論分析和仿真驗證，得到以下結論：

1）利用電容充放電的功能，將其放置在工作電路的前端，和恒流源一起為工作電路提供電流，從而達到輸出電流大于輸入電流的目的。通過調節電子開關的導通時間與關斷時間的比值來調節輸出電流的值，在滿足公式（4）的條件下滿足負載的電壓和電流要求。

2）通過設計合理的控制電路，該電路可以實現C/V轉換，得到較為穩定的輸出電壓，并且具備自我調節能力，如果輸出電壓發生變化，該電路能夠通過反饋調節使輸出電壓恢復至設定值。

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Design and Simulation of An Up-current Current/Voltage Conversion Circuit

Wang Yankai, Zhou Xuejun, Zhang Zheng

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TN702

A

1003-4862（2019）02-060-05

2018-09-03

王彥凱（1993-），男，碩士研究生。研究方向：水下基礎信息網絡。E-mail: hjgcwyk@163.com