一種基于Buck 變換器的數(shù)字COT 控制電源設(shè)計(jì)

黃寶華，龍順宇，周雅妮，郝昕

（海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南三亞，572022）

0 引言

降壓型開關(guān)電源（Вuck DC-DC）是能夠進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的器件，它是以功率器件、變壓器、電感器、電抗器等電子元器件組成的電子電路。由于其體積小，轉(zhuǎn)換效率高，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，被廣泛地運(yùn)用于車載設(shè)備、農(nóng)業(yè)設(shè)備、家用設(shè)備、航空航天、醫(yī)療電子，等領(lǐng)域。同時(shí)開關(guān)電源作為電力電子中的關(guān)鍵技術(shù)，對其進(jìn)行研究也具有較大意義。

本設(shè)計(jì)采用STC8H 單片機(jī)產(chǎn)生導(dǎo)通時(shí)間恒定的矩形波，通過主控單片機(jī)STC8H8K64US4 實(shí)時(shí)采集反饋回來的電壓進(jìn)行PID 閉環(huán)調(diào)控，使其輸出電壓達(dá)到所設(shè)預(yù)值，在一定程度上有效提高降了壓電源的整體性能。

1 COT 調(diào)制實(shí)現(xiàn)

■1.1 COT 調(diào)制方式

COT 是恒定導(dǎo)通時(shí)間的PWM 調(diào)制。本文選用數(shù)字方法產(chǎn)生COT，相比模擬方法可以解決頻率不固定，和必須要求ESR 大的缺點(diǎn)，COT 調(diào)制方法瞬態(tài)響應(yīng)好，容易穩(wěn)定，適合core 電源。

COT（Constant On-Time）又名恒定導(dǎo)通時(shí)間，在穩(wěn)態(tài)時(shí)上開關(guān)管上管的導(dǎo)通時(shí)間恒定，因此電感電流紋波是恒定的。傳統(tǒng)使用模擬方法的COT 如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)COT 電路沒有環(huán)路補(bǔ)償器，讓它可以控制開關(guān)管導(dǎo)通的信號(hào)是輸出的紋波信號(hào)，只需要讓紋波信號(hào)Vo 與Vref 相比較，如果Vo ≤Vref 那么比較器就會(huì)控制T-on 開關(guān)發(fā)出恒定時(shí)間的脈沖信號(hào)，當(dāng)T-on 關(guān)閉時(shí)紋波又減小到Vref 此時(shí)T-on又重新發(fā)出恒定時(shí)間的脈沖信號(hào)。T-on 的導(dǎo)通和輸入輸出電壓的關(guān)系為：

圖1 模擬法調(diào)制COT

其中K 為常數(shù)，當(dāng)輸出電壓增大時(shí)導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)變大，從而達(dá)到定頻的效果。因?yàn)闆]有延時(shí)的RC 補(bǔ)償所以響應(yīng)相比傳統(tǒng)的ВUCK 電源速度更快。

如果采用數(shù)字調(diào)制COT 可以做到更快響應(yīng)以及在固定頻率實(shí)現(xiàn)電源的調(diào)制，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的PWM 信號(hào)，把PWM 信號(hào)調(diào)制為COT 信號(hào)，與模擬法的作用相同。

■1.2 COT 軟件實(shí)現(xiàn)

由于模擬方法的COT 控制是通過紋波來控制，如果電容的ESR 比較小，那么紋波的相位會(huì)和輸出的相位不同步，不能保證電壓穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)通過程序算法直接調(diào)制COT 波形，也不會(huì)有電容ESR 的限制，在ESR 上的紋波取決于：

輸出的最后紋波電壓為：

由此可見當(dāng)ESR 越小，輸出的紋波也會(huì)越小，對于負(fù)載的雜波干擾也就越小，可以符合更高條件的指標(biāo)。

STC8H 具有的高級(jí)型T/C 資源，其硬件可以對外輸出16 位精度的PWM 信號(hào)（PWM 信號(hào)的頻率與占空比可以任意設(shè)置）。所以就不需要使用紋波電壓的變化來驅(qū)動(dòng)MOS管，只需要使用PWM，在PWM 的基礎(chǔ)上稍作調(diào)整即可調(diào)制出COT 波形如圖2。只需改變相應(yīng)寄存器的值就可以改變PWM 的周期與脈寬，通過軟件調(diào)整PWM 的占空比即可實(shí)現(xiàn)高電平時(shí)間恒定，而頻率不變，經(jīng)過內(nèi)置的PID 算法計(jì)算出各個(gè)電壓最優(yōu)的占空比PID 算法分為增量式和位置式，本設(shè)計(jì)采用增量式PID 算法，通過改變導(dǎo)通時(shí)間的方式來控制電壓輸出的高低，從而實(shí)現(xiàn)COT 軟件調(diào)制。

圖2 數(shù)字法調(diào)制的COT 波形

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

■2.1 整體方案設(shè)計(jì)

恒定導(dǎo)通時(shí)間降壓電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由STC8H 控制電路、降壓開關(guān)電路、MOS 管驅(qū)動(dòng)電路、輸入電壓采樣電路，輸出電壓、電流采樣電路以及輔助供電電路共同組成。設(shè)計(jì)總框圖如圖3 所示。

圖3 設(shè)計(jì)功能框圖

本系統(tǒng)通過STC8H 單片機(jī)生成的COT 型的PWM 波，由于單片機(jī)生成PWM 波電流電壓小，且?guī)лd能力弱，所以單片機(jī)生成的COT 波形的PWM 波要經(jīng)過由EG2104M 驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，控制兩個(gè)MOS 管導(dǎo)通和關(guān)斷，再經(jīng)過低通LC 濾波完成從高電壓到低電壓的變換。采樣環(huán)節(jié)中通過電阻分壓和運(yùn)算放大器將輸出電壓電流反饋回STC8H主控電路，將其反饋值與預(yù)先在按鍵上的設(shè)定的電壓值相比較。若數(shù)據(jù)有差異，單片機(jī)將控制輸出PWM 的占空比，結(jié)合PID 閉環(huán)算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。也使得輸出電壓電流控制在安全范圍，起到電路保護(hù)的作用。最后將軟件處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示模塊。

■2.2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.2.1 降壓開關(guān)電路

該模塊為同步Вuck DC-DC 組成。電路如圖4 所示。

圖4 buck 主拓?fù)潆娐?/p>

主拓?fù)潆娐分杏蓛深wHY 3010P N 溝道增強(qiáng)型TO-220封裝的mos 管作為同步整流的開關(guān)管，該MOS 管最大耐壓為100V，最大耐受電壓為100A，導(dǎo)通電阻為10mΩ，導(dǎo)通損耗低，散熱效率好，可以成為開關(guān)管的選擇。C1，C2，C3 為輸入的濾波電容，其中C1，C2 是用來濾除高頻雜波，C4 和L1 構(gòu)成LC 低通回路濾波器，用來濾除的紋波，同時(shí)也滿足MEI 的要求，R2 和D3 組成的電路可以使上管緩慢開啟，而D2 和R3 組成的電路可以讓下管迅速關(guān)斷，以減小寄身電容的干擾，C5 和C6 為濾除高頻雜波的輸出濾波電容，CS 為一個(gè)接地采樣點(diǎn)，R1 為電流的采樣電阻。

2.2.2 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路

MOS 管驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

圖5 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)Q1 的導(dǎo)通需求，柵極和源極的電壓至少大于3V才可以使MOS 管導(dǎo)通，由于Q2 管源極為輸出端，不屬于常規(guī)的接地，所以Q2 柵極的驅(qū)動(dòng)屬于浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)，由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，無法驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOS 管，所以本設(shè)計(jì)采用了屹晶微的EG2104N MOS 管驅(qū)動(dòng)芯片，此芯片為高低MOS 管專屬芯片，可以產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM 波，可以有效地驅(qū)動(dòng)Q1 和Q2 兩個(gè)MOS 管，在Q1 導(dǎo)通時(shí)12V 直流電通過D4 向C12 充電，從而把VS 端的電壓抬高，此時(shí)Q2 管上的柵極電壓始終大于源極電壓，就可以保證Q2 管的導(dǎo)通。

2.2.3 采樣電路

本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)STC8H 有三路ADC 可供使用，為了精確捕捉輸入電壓和輸出電壓和電流的參數(shù)，引入了采樣濾波放大電路如圖6、圖7 所示。

圖6 輸出電壓電流采樣

圖7 輸入電壓采樣

R8 和R10 把輸出電壓縮小為原來的21 倍，等比縮小的電壓經(jīng)過運(yùn)放再經(jīng)過濾波電路再從ADCOV 端口傳輸給單片機(jī)進(jìn)行采集，CS 點(diǎn)作為采樣電阻的電壓，經(jīng)過運(yùn)算放大器和R7 和R9 的放大，電壓的放大公式為：

計(jì)算出放大倍數(shù)為16 倍，再通過濾波電路傳輸給單片機(jī)A/D 引腳進(jìn)行捕捉。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是基于STC8H 作為主控制器的前提下實(shí)現(xiàn)PWM 波的輸出、輸出電壓以及電流的采集、過壓和過流的保護(hù)、顯示模塊等。主程序的流程圖如圖8 所示。

圖8 軟件流程圖

系統(tǒng)首先完成STC8H 的初始化，隨后單片機(jī)開始檢測是否按鍵按下，當(dāng)檢測到有按鍵按下，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入外部中斷，更改設(shè)定值；接著采集輸入電壓電流到主控單片機(jī)進(jìn)行檢測，若大于限定值將進(jìn)入電源保護(hù)模式；最后將輸出的電壓電流與設(shè)定值相比較，若不符合設(shè)定值將進(jìn)入PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)輸出電壓電流無誤，將會(huì)把電壓電流顯示在顯示模塊上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出。

4 測試結(jié)果分析

測試前檢測PCВ 上元件焊接，無誤后，檢查各測試設(shè)備連接無誤后進(jìn)行測試。分別測量空載以及不同帶載情況下的輸出電壓電流。

經(jīng)過多次對該電源的輸入電壓電流，輸出電壓電流的測量，并計(jì)算出本文設(shè)計(jì)的降壓電源效率為95.5%，負(fù)載調(diào)整率為3.94%，綜合輸出的數(shù)據(jù)，本電源滿足一些場合的電源要求。

表1 輸入輸出電壓、電流測試表

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于Вuck 變換器的數(shù)字COT 控制電源經(jīng)過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，最終可實(shí)現(xiàn)輸入5V～48V 直流電，輸出0V-36V 的直流電，最大輸出電流為5A，COT 控制的環(huán)路簡單、負(fù)載調(diào)整率小、輕載時(shí)效率高，是電源供電設(shè)備優(yōu)先選擇的方案。通過原理分析和焊接實(shí)驗(yàn)，表明該電源轉(zhuǎn)換效率高，反速度靈敏，輸出紋波小，工作狀態(tài)穩(wěn)定；在單片機(jī)軟件的過壓過流保護(hù)機(jī)制下，可以滿足工作需求。