开关电源数模混合测控系统硬件电路设计与实验

摘要：采用UCC3895芯片与单片机相结合的方案设计了直流开关电源数模混合测控系统。闭环系统包括电压环与限流环，电压环使输出稳定在设定值上，限流环解决了负载突变问题，调节器和保护电路的设计使系统稳定且安全运行，单片机完成了系统故障的实时监测、显示与保护。最后研制了一套输出为270V的直流开关电源测控系统，实验结果良好。

引言

大中功率直流开关电源一般采用移相全桥DC/DC变换器 。实现全桥变换器的移相控制主要有以下三种方法：(1)采用分立器件进行逻辑组合;(2)采用DSP或CPLD实现数字控制;(3)采用专用集成控制芯片 。采用分立器件进行逻辑组合构成的模拟控制电路结构复杂，不利于开关电源小型化;采用DSP或CPLD实现数字控制的成本较高，且存在数字电路延迟;采用专用的集成控制芯片电路简单且成本较低。第三种方法中可以采用UCC3895芯片来产生PWM控制波形，UCC3895是一款优良的移相全桥控制芯片，有电压和电流两种控制模式，占空比可从0%～100%， 且可以为零电压开关(ZVS)提供高效高频的解决方案。国内外常用的移相全桥反馈模式为电流模式 ，但其双闭环控制电路复杂，不易实现。

由于单电压环反馈模式简单有效的优点，本文基于UCC3895移相全桥控制芯片采用单电压环加限流环的反馈模式和单片机相结合设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统，详细设计了闭环系统、控制器参数、保护电路，显示电路，调压电路，并对测控系统进行了实验。

系统方案

采用应用广泛的TI公司生产的UCC3895芯片与单片机相结合的方案设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统。如图1所示，利用UCC3895对DC/DC变化器主电路进行PWM移相控制，并与单片机相结合来实现对主电路的检测与反馈控制，以及输出过压，过流，过温等保护。其中，所选单片机型号为美国微芯公司生产的PIC16F873单片机。PIC16F873共28个引脚，内部自带5个10位A/D通道，2个定时计数器，2个脉宽调制(PWM)通道。

闭环反馈模式采用单电压环加限流环的模式，存在电压环调节器和限流环调节器两个调节器，即恒压控制调节器和恒流控制调节器。当电压环调节器工作时，整个电源装置相当于一个电压源，此时限流环调节器不参与工作;当限流环调节器工作时，整个电源装置相当于一个电流源，此时电压环调节器不参与工作。电压环调节器选用PID调节器，在低频段起积分作用，改善系统的稳态性能，在中频段起微分作用，改善系统的动态性能。限流环调节器只是在负载过重时的较短时间内起作用，要求不高，可以选用P调节器或PI调节器，为减小稳态误差所以选用PI调节器。如图2所示，正常情况下只有电压环工作，限流环不工作，一旦输出过流则电压环停止工作，由限流环工作，通过减小输出电压将电流稳定在限流值。

控制器参数设计

电路参数为：输入Vin=500V，输出电压Vo=270V，谐振电感Lr=30uH，变压器变比K=1.63，滤波电感 Lf=500uH，滤波电容Cf=470uF，负载电阻RL=30Ω。开关频率fs=80kHz，参考电压Vr=3V，PWM调制器锯齿波幅值Vp=2.35V。

闭环反馈模式具体硬件电路如图3所示，限流环调节器输出端通过一个二极管与电压调节器输出端连在一起接至UCC3895内部的PWM波比较器同相输入端，限流环调节器的输出接到二极管的阴极。当电流达到限流值时，限流环调节器输出电压下降，低于电压调节器输出，二极管导通，将限流环调节器输出接到PWM比较器同相输入端并与载波信号比较产生占空比控制主电路开关管通断，通过减小输出电压将电流稳定在限流值，此时只有限流环起作用，实现恒流控制;当电流未达到限流值时，二极管不导通，由电压环起作用，实现恒压控制。

通过计算与实验调试可得电压调节器参数为：R1=200Ω，R2=100kΩ， R3=7.5kΩ，C1=10nF，C2=220pF， C3=10nF;电流调节器参数为：R4=R5=R6=10kΩ，C4=47nF。

测控系统硬件实现

测控系统工作原理为：反馈电路不断检测当前实际输出电压或输出限流信号，送给UCC3895芯片进行处理，不断调节PWM驱动信号的移相时间，再利用驱动电路进行隔离和放大后控制主功率开关管的开通与关断。同时不断检测输出过压，过流，过温等故障信号，一旦出现故障，通过保护电路给移相全桥控制芯片CS脚发送封锁信号封锁脉冲输出，从而停止主电路输出。同时通过单片机I/O口和A/D采样口对电源输出电压，电流，温度等各种故障信号进行实时检测和显示，一旦有故障发生，则通过LED显示此故障并通过单片机I/O口发送故障保护封锁信号给保护电路，使CS脚为高电压，停止PWM波输出，从而达到数字和模拟双保护的功能，使得电源系统稳定可靠运行。

UCC3895外围电路设计

如图4所示，UCC3895的EAN脚为内部误差放大器反相输入端，EAOUT脚为误差放大器输出端，R3、R4、R6、C1、C2、C3构成了闭环控制系统的电压调节器，输出电压Vo经过电阻分压接到电压调节器反相输入端构成反馈电压，改变可调电阻R2的值可以改变电源输出电压。RT、CT可以实现开关频率的设定，ADS脚为自适应延迟死区时间设置端，接地表示输出延迟死区时间设为最大。限流调节器输出端也接到UCC3895的EAOUT脚，故障保护电路接到CS脚实现电源系统的故障保护功能。

故障保护电路设计

UCC3895的CS脚有过流保护功能，当CS脚电压高于2.5V时，UCC3895芯片将会被软关断，驱动脉冲被封锁，CS脚低于2.5V，芯片将进入下一个软启动过程。如图5所示，保护电路的设计就是基于CS脚的过流保护功能，正常情况下保护电路的输出为低电平，一旦出现输出过压、过流、过温等故障，相应的电压比较器输出高电平，同时故障信号被单片机检测，通过单片机数字控制也可使电压比较器输出为高电平，开关管T1导通，输出一个高于2.5V的高电平至CS脚，使芯片封锁驱动信号，从而使主电路停止工作，实现电源系统的数字模拟双重保护功能。

限流值可调的限流环电路设计

如图6所示，分流器检测输出电流，经由运放3构成的放大电路处理，与单片机发出的可调限流参考经过PI调节器后接至二极管阴极，二极管阳极和UCC3895误差放大器输出端(EAOUT)一起接到其内部PWM波比较器同相输入端，与三角波比较输出占空比。正常情况下只有电压环起作用，当电流达到单片机发出的限流参考值时，限流环调节器输出量小于电压环调节器输出量，二极管导通，由限流环起作用调节输出电压，使电流限制在限流值，实现恒流控制。调节精密可调电位器 ，经单片机检测后可以改变单片机CCP2脚发出的PWM波占空比，进而调节限流参考值，实现限流值可调的功能。

单片机与外围电路设计

单片机部分外围电路和电源状态显示电路分别如图7和图8所示。单片机部分引脚功能分配如下：AN0脚是限流信号检测，AN1脚是输出电压检测，AN2脚是输出电流检测，AN4脚是温度检测，其中AN0、AN1、AN2、AN4脚均为A/D转换端口。CCP2脚(PWM端口)提供可调的限流调节器的限流参考值，CCP1脚(PWM端口)提供可调的电压调节器的输出电压参考值，SCK、SDO、RB4脚用于电源状态显示，RB1脚(I/O口)为单片机数字控制。单片机通过SPI(同步串行通讯)向移位寄存器SN74HC164发送电源当前工作状态数据，由移位寄存器把串行数据转换为并行数据并输出给显示模块。单片机RB4脚(I/O口)控制发光二极管的供电电压，在刚开机还没有采集工作状态之前，保证所有二极管不工作。单片机SCK(时钟)脚接在三个移位寄存器的脉冲输入口(CLK)作为脉冲输入。单片机SDO(SPI通讯数据输出)脚接到移位寄存器的数据输入口(A、B脚)，并把三个移位寄存器接到一起串联使用。通过数码管实时显示输出电流值，通过4个LED灯的亮灭表示电源当前的工作状态，其中发光二极管D4(绿灯)灯亮表示电源正常工作，D3(红灯)灯亮表示输出过压故障，D2(红灯)灯亮表示输出限流，D1(红灯)灯亮表示过温故障。

调压电路设计

单片机CCP1脚为PWM波端口，可以通过调节PWM波的占空比产生不同的电压。如图9所示，PWM信号经过滤波电路由数字量转变为模拟量输入到由运放5构成的电压跟随器进行缓冲与隔离，该模拟电压与参考电压VDD叠加构成分压电路，分压信号输入到由运放6构成的电压跟随器正向输入端。输出端经过滤波电路接到UCC3895芯片电压调节器参考电压端(EAP)。改变CCP1的PWM波占空比即可调整电压调节器参考电压，进而改变电源输出电压。图中由R2、R3、R4构成的分压电路可以设定PWM占空比为最低时电压调节器参考电压的最低值，保证电源电压的最低输出。可调电阻R2的作用是调节电压调节器参考电压的范围，改变R2的值，在输出占空比范围不变的情况下，输出参考电压的范围可以进行调整，进而改变电源输出电压的范围。

实验及结果

图10是直流开关电源上电输出电压瞬态波形，上电输出瞬态电压的超调量为1.1%，调整时间为50ms，稳态误差为0.5V。图11是直流开关电源突加突减负载输出电压瞬态波形，突加突减负载输出瞬态电压的恢复时间为30ms，电压动态降落为22%。图12是突加过载限流波形，过流后限流环起作用，通过调节输出电压，使得电流很快限制在限流值上。

由实验波形可知开关电源数模混合测控系统方案可行，调节器参数选取合理，系统的动静态性能和抗扰性能良好。

结论

本文基于UCC3895芯片和PIC16F873单片机设计了直流开关电源数模混合测控系统。实验结果表明，测控系统设计合理，参数选择正确。

参考文献：

[1] 丁志刚，胡育文.ZVS DC/ DC 全桥变换器的研究[J].电力电子技术,2003,37(3)
　　[2] 冀春涛,唱志强,罗贤星,基于移相谐振PWM控制器的电阻点焊逆变器[J].制造业自动化,2010,32 (4)
　　[3] Yungtaek Jang, Milan M Jovanovich Yu-Ming chang.A New ZVS--PWM Full-Bridge Converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(5).
　　[4] Tang W, Lee F.C, Ridley R.B, Small-signal modeling of average current-mode control, IEEE Trans[J].Power Electronics,1993,8(2): 112~119.
　　[5] 李红平.采用峰值电流模式的全桥移相控制DC/DC变换器[J].电力电子技术,2000,(1):27-30