一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现

4 软件设计

选择CPLD和51系列单片机组合设定数字控制和输出电压步进。用单片机控制整个系统。软件设计除设定初始电压值，还包含PID算法程序，以及调整PWM占空比。可编程逻辑器件CPLD可直接生成PWM波控制开关管驱动器。

4．1 PWM波产生

PWM波的产生采用Verilog HDL硬件描述语言在CPLD中实现。信号频率设定为40 kHz，采用DDS方式步进频率可精确至1 Hz。使用QuartusⅡ自带的工具生成PLL器件，将外界晶体振荡器输入的频率倍频至100 MHz。由DDS公式，可得：

式中：k为累加系数；Fin为输入频率；n为计数器位数。

当键盘键入所需电压U0，单片机内转化为占空比DY=1一(Ui／U0)。累加器开始累加时输出高电平，当DY达到计数值时变为低电平，最终可得精确频率下占空比可调的PWM控制信号。

4．2 PI控制算法

为通过反馈调节控制信号实现稳压，系统软件设计中加入了PID控制算法，即单片机中将给定电压值与采样反馈电压值比较，利用偏差的比例、积分、微分线性组合调整PWM信号的占空比，进而达到稳压。常用的PID算法形式为：

式中：KP、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；e(k)为偏差；u(k)为所需控制信号的调整值。

该系统设计选择PI算法(PID算法的一种简单形式)，即令Kd为零，只考虑比例系数和积分系数。因此，系统稳压控制的优劣取决于参数Kp、Ki。Kp越大，系统反应越灵敏，但Kp偏大会导致输出振荡大，调节时间延长，所以应谨慎选择。积分系数的运用可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。PI算法流程如图3所示。图3中引入了积分分离式算法，减少积分校正对控制系统动态性能的影响。即在控制开始阶段或电压值大幅度变化时，取消积分校正；而当实际电压值与设定值的误差小于一定值时，恢复积分校正作用。积分分离式算法既保持积分作用，又减小超调量，改善控制系统的性能。经实验确定，可实现稳压功能。

4．3 仿真验证

Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模仿真的一个软件包。采用powersystem库模型，将系统设计的仿真电路连接如图4所示。脉冲产生器产生固定频率和占空比方波，控制MOS开关管。电流和电压测量器将模拟的电流和电压量化送至示波器。仿真中器件参数根据实际设计选取：输入电压为18 V，开关管的控制脉冲(PWM波)频率为40 kHz，占空比60％，电容取2 200μF，电感为1 mH，电阻为18 Ω。得到的电流电压波形图如5所示。通过仿真可看出，在不考虑损耗时电压可以升36 V以上，电流也可以达到2．4A；在实际电路中因存在损耗，通过调整占空比达到了输出电压30～36 V步进调整．最大输出电流2 A。

5 结语

利用Boost电路实现了系统设计的升压转换，采用CPLD和单片机完成数字控制，软件编程得到PWM信号，通过调整占空比实现输出电压数字调节。而运用PI算法则是本系统设计的亮点，完美实现了宽输入，稳压输出。