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文章之一

基于SG3525A的太陽(yáng)能逆變電源設(shè)計(jì)
作者:■北京無(wú)線電技術(shù)研究所 徐東生


摘    要:本文主要介紹了SG3525A在研制太陽(yáng)能逆變電源中的應(yīng)用,其脈沖波形隨設(shè)計(jì)線路的不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果,從而解決了隨機(jī)燒毀功率管的技術(shù)問(wèn)題.
關(guān)鍵詞:SG3525A;逆變電源;MOSFET-90N10

引言
本文涉及的是光明工程中一個(gè)課題的具體技術(shù)問(wèn)題.該課題的基本原理是逆變器由直流蓄電池供電,用太陽(yáng)能為蓄電池充電,然后逆變電源輸出220V、50Hz的交流電供用戶使用.在研制過(guò)程中,有時(shí)隨機(jī)出現(xiàn)燒毀大功率管的現(xiàn)象,本文對(duì)這一現(xiàn)象給出了解決方案.

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圖1  SG3525A驅(qū)動(dòng)MOS功率管電路圖

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圖2  逆變器工作過(guò)程中波形圖

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(a)

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(b)

圖3 (A)逆變器緩啟動(dòng)(B)逆變器硬啟動(dòng)

SG3525A和逆變電源
本課題研發(fā)的逆變器使用的核心器件是SG3525A,以下分別簡(jiǎn)述其基本性能和工作過(guò)程.
SG3525A基本性能
SG3525A PWM型開(kāi)關(guān)電源集成控制器包括開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓所需的全部控制電路,設(shè)有欠壓鎖定電路和緩啟動(dòng)電路可提供精密度為5V±1%的基準(zhǔn)電壓.其開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)200KHz以上,適合于驅(qū)動(dòng)N溝道MOS功率管.本課題使用SG3525A產(chǎn)生50Hz的準(zhǔn)正弦方波,為逆變器提供輸出功率信號(hào),去推動(dòng)N溝道MOS功率管90N08,如圖1所示.
逆變器工作過(guò)程
當(dāng)SG3525A被加電后(12V)會(huì)輸出兩列50Hz反向的方波,其幅度為9V.這兩路方波分別進(jìn)入G1、G2、G3、G4所示的四條支路(圖1),經(jīng)各電路分別調(diào)整后輸出,輸出脈沖序列如圖2(B)所示.最終調(diào)制合成為A、B兩端輸出的交流方波.其波形見(jiàn)圖2(A).該50Hz的序列方波由A、B兩端進(jìn)入電力變壓器DT.通過(guò)變壓器升壓后由逆變器電源輸出220V、50Hz交流方波.根據(jù)市場(chǎng)的不同需求生產(chǎn)出200W、600W、800W各個(gè)系列的逆變電源.

問(wèn)題的出現(xiàn)與解決
逆變器在額定負(fù)載條件下能夠長(zhǎng)期運(yùn)行,但是當(dāng)進(jìn)行負(fù)載切換時(shí)或者當(dāng)外電路有嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí),偶爾會(huì)發(fā)生大功率管MOSFET90N08燒毀的現(xiàn)象.現(xiàn)以800W逆變器進(jìn)行剖析.
緩啟動(dòng):如圖3(A)所示狀態(tài),同時(shí)滿負(fù)載加在逆變器輸出上,然后啟動(dòng)逆變器使之運(yùn)行,一切正常工作.
硬啟動(dòng):如圖3(B)所示狀態(tài),即加滿負(fù)載后再閉合開(kāi)關(guān)K1強(qiáng)行硬啟動(dòng).這時(shí)就偶爾有大功率場(chǎng)效應(yīng)管短路燒毀的現(xiàn)象發(fā)生,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)G3推動(dòng)的大功率管TV3尚未完全關(guān)斷時(shí),G4開(kāi)啟了對(duì)應(yīng)的大功率管TV4,如果TV3和TV4同時(shí)開(kāi)通就會(huì)造成短路現(xiàn)象.此時(shí)就會(huì)燒毀大功率管.而當(dāng)D點(diǎn)和C點(diǎn)、E點(diǎn)和F點(diǎn)進(jìn)行相互交換后兩個(gè)管子開(kāi)啟的時(shí)間差為100ms左右,這樣就保證了G3和G4的推動(dòng)信號(hào)不會(huì)同一時(shí)刻開(kāi)啟VT3、VT4,從而避免了短路現(xiàn)象.直到目前尚未發(fā)生因硬啟動(dòng)和外電路干擾而燒毀大功率管的現(xiàn)象.■

參考文獻(xiàn)
1 王劍英,常敏慧編著. 新型開(kāi)關(guān)電源技術(shù). 北京: 電子工業(yè)出版社.2001.7
2 張占松,蔡宣三編著. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì). 北京:電子工業(yè)出版社.2000.3

文章之二

采用自適應(yīng)算法進(jìn)行便攜式電池電量的計(jì)量
作者:■ 德州儀器公司 Yevgen Barsukov Bernd Krafth fer


引言
隨著便攜式應(yīng)用的數(shù)量不斷增加,用戶將要完成更多的關(guān)鍵業(yè)務(wù).這時(shí)整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)必須持續(xù)工作,不能失去數(shù)據(jù)的完整性.但是對(duì)電池來(lái)講,要預(yù)計(jì)剩余的電量還能維持的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間非常困難.本文將討論盡可能精確計(jì)算剩余電池電量信息的重要性.遺憾的是,目前無(wú)法通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)甚至電池電壓來(lái)進(jìn)行上述計(jì)算.溫度、放電速率以及電池老化等因素都會(huì)影響電荷狀態(tài) (SOC).本文將集中討論一種剛獲得專(zhuān)利的新技術(shù),它可幫助設(shè)計(jì)人員預(yù)計(jì)電荷狀態(tài)SOC以及鋰電池的剩余電量.

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(a)

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(b)

圖 1  鋰離子電池在 (a) 完全充電狀態(tài)和 (b) 放電狀態(tài)下施加 1/3C
額定負(fù)載后的電壓降以及電壓張弛

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圖2 根據(jù)基于實(shí)時(shí)更新電池阻抗的電量
監(jiān)測(cè)計(jì)算法預(yù)測(cè)的電壓圖與隨后在典型筆記本電腦負(fù)載下測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較.

500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301202.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">

現(xiàn)有電池電量的監(jiān)測(cè)方法
目前一般采用兩種方法監(jiān)測(cè)電池電量.一種以電流積分為基礎(chǔ),而另一種以電壓測(cè)量為基礎(chǔ).第一種方法基于的觀念是:如果將所有電池充電和放電電流積分的話,那么就能知道還剩下多少電能.如果電池剛剛充電而且已知是充分充電,那么積分電流的做法非常有效.這種方法,對(duì)目前大多數(shù)電池電量監(jiān)測(cè)都很有效,不過(guò)它也有問(wèn)題,特別是被測(cè)電池長(zhǎng)期不工作時(shí).如果電池充電后幾天不用,或幾個(gè)充電和放電周期中一直未充分充放電,那么內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)造成的自放電就會(huì)非常明顯.由于自放電無(wú)法測(cè)量,因此必須用預(yù)定的方程式對(duì)其進(jìn)行校正.由于不同電池模型有著不同的自放電速度,而且取決于電池SOC、溫度以及充放電循環(huán)的歷史記錄,自放電的精確建模需要花大量時(shí)間收集數(shù)據(jù),而且總是不很精確.此外,只有在完全充電后馬上完全放電,才能更新總電量值.如果電池壽命中完全放電情況不多,那么在電量監(jiān)測(cè)計(jì)更新數(shù)值前電池的實(shí)際電量可能大幅降低,這就導(dǎo)致對(duì)可用電量的過(guò)高估計(jì).即使電量對(duì)給定溫度與放電速度進(jìn)行更新,可用電量也會(huì)隨放電速度和溫度而變動(dòng).
對(duì)于第二種方法,只需要測(cè)量電池電極間的電壓.它建立在電池電壓與剩余電量之間的已知相互關(guān)系基礎(chǔ)之上,似乎相當(dāng)直接,但只有在測(cè)試過(guò)程中不施加負(fù)載的情況下,電池電壓與電量之間才是這種簡(jiǎn)單關(guān)系.當(dāng)施加負(fù)載時(shí),電池電壓就會(huì)因電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生的電壓降而發(fā)生失真.

電池化學(xué)反應(yīng)與相應(yīng)的
電壓變化
復(fù)雜的電子化學(xué)反應(yīng)會(huì)造成電池瞬態(tài)電壓的響應(yīng).電荷必須通過(guò)多層存儲(chǔ)能量的電子化學(xué)活性材料(正負(fù)極)傳輸,首先以電子形式到達(dá)粒子表面,隨后在電解液中變?yōu)殡x子形式.上述化學(xué)步驟與電池電壓響應(yīng)的時(shí)間常量相關(guān).在施加負(fù)載后,電壓以不同的速率隨時(shí)間推移逐漸降低,但去掉負(fù)載后則逐漸增大.圖1顯示了在不同SOC下向鋰離子電池施加負(fù)載時(shí)的電壓張弛 (relaxation).

造成基于電壓的電量監(jiān)測(cè)
誤差的原因
假定通過(guò)減去IR壓降來(lái)校正帶負(fù)載的電壓,隨后用校正電壓獲得當(dāng)前的SOC.這樣遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是 R 取決于 SOC.如果使用平均值,那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下帶來(lái)的 SOC 估計(jì)誤差將高達(dá) 100%,此時(shí)的阻抗比完全充電后的狀態(tài)高出 10 倍.解決方案之一就是根據(jù) SOC 在不同負(fù)載下使用多維電壓表.阻抗很大程度上取決于溫度,溫度每下降 10℃,它就上升約 1.5倍,這種相互關(guān)系也應(yīng)加入上述電壓表,然而這就使得計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜.
電池電壓響應(yīng)是內(nèi)在瞬時(shí)的,這是因?yàn)橛行?R 取決于負(fù)載應(yīng)用的時(shí)間.如果將內(nèi)部阻抗看作簡(jiǎn)單歐姆電阻而不考慮時(shí)間負(fù)載變化情況,那么即使根據(jù)電壓表考慮到 R和SOC的相關(guān)性也會(huì)導(dǎo)致巨大的誤差.由于SOC (V)函數(shù)斜率取決于SOC,因此瞬時(shí)誤差可從放電狀態(tài)的0.5%直到中等充電狀態(tài)的 14% 不等.
不同電池間的阻抗變化也會(huì)進(jìn)一步使問(wèn)題復(fù)雜化.即使新生產(chǎn)的電池也會(huì)存在 +/-15% 的低頻 DC 阻抗變化.這對(duì)高負(fù)載的電壓校正就會(huì)產(chǎn)生很大的影響.
有關(guān)阻抗問(wèn)題可能在電池老化時(shí)最嚴(yán)重.典型的鋰離子電池在70個(gè)使用循環(huán)后DC阻抗翻番,而相同周期的無(wú)負(fù)載電量?jī)H下降2~3個(gè)百分點(diǎn).基于電壓的算法似乎對(duì)新電池組很適用,但如果不考慮這一因素,那么在電池組只達(dá)到使用壽命的15%(估計(jì)約500個(gè)使用循環(huán))時(shí)就會(huì)造成嚴(yán)重的誤差(50%).

使用兩種方法的最佳之處
在開(kāi)發(fā)新一代電量監(jiān)測(cè)計(jì)使用的算法時(shí),TI 考慮到能否將基于電流和基于電壓的兩種方法相結(jié)合,在不同的時(shí)候使用相應(yīng)的方法,這種想法看起來(lái)顯而易見(jiàn),但至今還沒(méi)人試過(guò).由于開(kāi)路電壓與 SOC 間存在精確的相關(guān)性,因此不施加負(fù)載且電池處于張弛狀態(tài)時(shí),上述方法可實(shí)現(xiàn)精確的 SOC 估算.由于任何電池供電的設(shè)備都有不工作時(shí)期,上述方法使得有機(jī)會(huì)利用不工作時(shí)期,找到電荷狀態(tài)的確切起始位置.由于設(shè)備接通時(shí)可以知道精確的SOC,因此在不工作時(shí)期就不再需要自放電校正.當(dāng)設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)且給電池施加負(fù)載時(shí),則采用電流積分.由于庫(kù)侖計(jì)數(shù)(coulomb-counting)從運(yùn)行之初就跟蹤SOC的變化,因此無(wú)需對(duì)負(fù)載下的電壓降進(jìn)行復(fù)雜而且不精確的補(bǔ)償.
此外,還可用此方法來(lái)更新完全充電的電量.依靠施加負(fù)載前的SOC百分比信息、施加負(fù)載后的SOC信息(均在張弛狀態(tài)下通過(guò)電壓測(cè)量獲得)以及二者之間傳輸?shù)碾姾闪?設(shè)計(jì)人員很容易在已知電荷變化的情況下確定對(duì)應(yīng)于SOC改變的總電量.不管傳輸電量多大,不管起始條件如何,都可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)(不用完全充電),這就不再需要特殊條件來(lái)更新電量,從而免去了電流積分算法的又一弱點(diǎn).
以上方法不僅解決了SOC問(wèn)題并完全避免了電池阻抗的影響,而且還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)其它目的.可以用該方法更新總電量,對(duì)應(yīng)于最大可能電量等可提取的“無(wú)負(fù)載”情況.但這時(shí)非零負(fù)載電量會(huì)較小,這是由于IR下降使得端接電壓在有負(fù)載時(shí)達(dá)到得更早.如果已知SOC的阻抗關(guān)系式以及溫度,則通過(guò)簡(jiǎn)單建模就可確定在該電流負(fù)載和溫度下何時(shí)可達(dá)到端接電壓.但是,阻抗取決于電池,并會(huì)隨電池老化和使用循環(huán)的增加而迅速增加,將其存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中用處不大.為了解決該問(wèn)題,TI 的 IC 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)阻抗測(cè)量,保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)持續(xù)更新,這樣就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問(wèn)題.全壽命的阻抗數(shù)據(jù)更新可非常精確地預(yù)測(cè)給定負(fù)載的電壓變化(見(jiàn)圖 2).以上方法可以使得在大多數(shù)情況下,可用電量估算誤差率低于 1%.最重要的是,在電池組整個(gè)壽命內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了高精確度.

自適應(yīng)算法的優(yōu)勢(shì)
——即插即用的實(shí)施
通過(guò)實(shí)施上述算法就不再需要事先提供數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)描述阻抗與 SOC 和溫度的關(guān)系,不過(guò)仍然需要定義開(kāi)路電壓和 SOC(包括溫度)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù).但是,這方面的關(guān)系由正負(fù)極系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)決定,而不是由具體的電池型號(hào)設(shè)計(jì)因素(如電解液、分離器、活性材料厚度等)決定.由于大多數(shù)電池制造商使用相同的化學(xué)材料做活性材料(LiCoO2 與石墨),因此它們的 V(SOC,T) 關(guān)系式也基本相同.TI對(duì)不同制造商所提供電池的無(wú)負(fù)載電壓圖進(jìn)行了比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持上述表述.較大的偏差也只不過(guò) 5mV 而已,這就實(shí)現(xiàn)了在最差情況下 SOC 誤差率也不過(guò) 1.5%.上述新算法將實(shí)現(xiàn)電池監(jiān)視器 IC的即插即用,同時(shí)還可提高其精確度及可靠性.■

先睹為快!!

謝謝!

樓主辛苦了!

頂一下

多謝樓主.
04研討會(huì)有篇關(guān)于DC/DC的介紹,一些廠家的電路圖未給出,不知樓主有沒(méi)詳細(xì)資料或圖片傳上來(lái)看看.謝了,先.

抱歉李龍文老師提供的原文件就沒(méi)有圖,原文如下.

DC/DC變換器技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)
李龍文

   摘要:從工程實(shí)際的角度介紹了DC/DC技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展,給出當(dāng)今國(guó)際頂級(jí)DC/DC產(chǎn)品的實(shí)用技術(shù)、專(zhuān)利技術(shù)及普遍采用的特有技術(shù).指出了半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步給DC/DC技術(shù)帶來(lái)的巨大變化.并指出了DC/DC的數(shù)字化方向.
關(guān)鍵詞:有源箱位軟開(kāi)關(guān)  同步整流  級(jí)聯(lián)拓樸  MCU控制  高效率高功率密度DC/DC


分布式電源系統(tǒng)應(yīng)用的普及推廣以及電池供電移動(dòng)式電子設(shè)備的飛速發(fā)展,其電源系統(tǒng)需用的DC/DC電源模塊越來(lái)越多.對(duì)其性能要求越來(lái)越高.除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外,對(duì)其體積要求越來(lái)越小,也就是對(duì)其功率密度的要求越來(lái)越高,對(duì)轉(zhuǎn)換效率要求也越來(lái)越高,也即發(fā)熱越來(lái)越少.這樣其平均無(wú)故障工作時(shí)間才越來(lái)越長(zhǎng),可靠性越來(lái)越好.因此如何開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器始終是近二十年來(lái)電力電子技術(shù)工程師追求的目標(biāo).例如:二十年前Lucent公司開(kāi)發(fā)出第一個(gè)半磚DC/DC時(shí),其輸出功率才30W,效率只有78%.而如今半磚的DC/DC輸出功率已達(dá)到300W,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93.5%.
從八十年代末起,工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積,提高功率密度,首先從大幅度提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率做起,但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積,卻降低了效率.發(fā)熱增多,體積縮小,難過(guò)高溫關(guān).因?yàn)楫?dāng)時(shí)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度還不夠快,大幅提高頻率使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加.工程師們開(kāi)始研究各種避開(kāi)開(kāi)關(guān)損耗的軟開(kāi)關(guān)技術(shù).雖然技術(shù)模式百花齊放,然而從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開(kāi)發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在.一項(xiàng)是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù);另一項(xiàng)就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù).
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代,且都申報(bào)了專(zhuān)利.第一代系美國(guó)VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù),其專(zhuān)利已經(jīng)于2002年2月到期.VICOR公司利用該技術(shù),配合磁元件,將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒(méi)有超過(guò)90%,主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開(kāi)關(guān)損耗,還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗.特別是驅(qū)動(dòng)損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加,而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術(shù),其效率是無(wú)法再提高的.因此,其轉(zhuǎn)換效率始終沒(méi)有突破90%大關(guān).
為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本,IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專(zhuān)利.它采用P溝MOSFET在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓樸的有源箝位.這使產(chǎn)品成本減低很多.但這種方法形成的MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)邊界條件較窄,在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù),而且PMOS工作頻率也不理想.
為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)不白白消耗掉,一位美籍華人工程師于2001年申請(qǐng)了第三代有源箝位技術(shù)專(zhuān)利,并獲準(zhǔn).其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載.所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率.它共有三個(gè)電路方案:其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET.因而工作頻率較高,采用該技術(shù)可以將ZVS軟開(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起,因而它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的效率及250W/in3以上的功率密度.(即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉(zhuǎn)換效率)
我們給出三代產(chǎn)品的等效電路,讀者可從其細(xì)節(jié)品味各自的特色.有關(guān)有源箝位技術(shù)近年論文論述頗多,此處不多贅述.
全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù),從90年代中期風(fēng)靡大功率及中功率開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域.該電路拓樸及控制技術(shù)在MOSFET的開(kāi)關(guān)速度還不太理想時(shí),對(duì)DC/DC變換器效率的提升起了很大作用.但是工程師們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r(jià)也不小.第一個(gè)代價(jià)是要增加一個(gè)諧振電感.它的體積比主變壓器小不了多少(約1/2左右),它也存在損耗,此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多.第二個(gè)代價(jià)是丟失了8~10%的占空比,這種占空比的丟失將造成二次側(cè)的整流損耗.所以弄得不好,反而有得不償失的感覺(jué).第三,諧振元件的參數(shù)需經(jīng)過(guò)調(diào)試,能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)用的準(zhǔn)確值的選定是要花費(fèi)較多的時(shí)間,試驗(yàn)成本較高.此外,因同步整流給DC/DC效率的提高帶來(lái)實(shí)惠頗多,而全橋移相對(duì)二次側(cè)同步整流的控制效果并不十分理想.例如:第一代PWM ZVS全橋移相控制器,UC3875及UCC3895只控制初級(jí)側(cè).若要提供準(zhǔn)確的控制同步整流的信號(hào)需另加邏輯電路.第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2,雖然增加了對(duì)二次側(cè)同步整流的控制信號(hào),在做好ZVS軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)做好二次側(cè)的同步整流.但仍舊不能十分有效地控制好二次側(cè)的ZVS ZCS同步整流,而這是提高DC/DC變換器效率最有效的措施.UCC3722-1/-2的另一個(gè)重大改進(jìn)是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這里我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路,由業(yè)界工程師們自己去分析對(duì)照.
在DC/DC業(yè)界,應(yīng)該說(shuō),軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、直到用于工程實(shí)踐,費(fèi)力不小,但收效卻不是太大.花在這方面的精力和資金還真不如半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)MOSFET技術(shù)的改進(jìn).經(jīng)過(guò)幾代MOSFET設(shè)計(jì)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,從第一代到第八代.光刻工藝從5μM進(jìn)步到0.5μM.完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降.加上進(jìn)一步減薄的晶片.優(yōu)秀的芯片粘結(jié)焊接技術(shù),使當(dāng)今的MOSFET (例如80V40A)導(dǎo)通電阻降至5mΩ以下,開(kāi)關(guān)時(shí)間已小于20ns,柵電荷僅20nc,而且是在邏輯電平下驅(qū)動(dòng)即可.在這樣的條件下,同步整流技術(shù)獲得了極好的效果,幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個(gè)百分點(diǎn).效率指標(biāo)已經(jīng)普遍進(jìn)入了>90%的范圍.
目前,自偏置同步整流已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出.自偏置同步整流用法簡(jiǎn)單易行,選擇好MOSFET即告成功,此處不多述.
而對(duì)于12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅(qū)動(dòng)IC,這樣可以收到較好的效果.ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激變換電路及正激變換電路.我們給出其參考電路.線性技術(shù)公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優(yōu)秀的同步整流控制IC.采用IC驅(qū)動(dòng)的同步整流電路中,應(yīng)該說(shuō)最好的還是業(yè)界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路,它將DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率帶上了95%這一歷史性臺(tái)階.
ZVS,ZCS同步整流只適用初級(jí)側(cè)為對(duì)稱(chēng)型電路拓樸,磁芯可以雙向工作的場(chǎng)合.即推挽、半橋以及全橋硬開(kāi)關(guān)的電路.二次側(cè)輸出電壓24V以下,輸出電流較大的場(chǎng)合,這時(shí)可以獲得最佳的效果.我們知道,對(duì)于傳輸同樣功率高壓小電流硬開(kāi)關(guān)的損耗要比低壓大電流硬開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗低很多.我們利用這種性能將PWM的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器或高速光耦傳輸至二次側(cè),適當(dāng)處理其脈寬后,再去驅(qū)動(dòng)同步整流的MOSFET.讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒(méi)有電壓,不流過(guò)電流時(shí)開(kāi)啟及關(guān)斷.只要此時(shí)同步整流的MOSFET的導(dǎo)通電阻足夠小,柵驅(qū)動(dòng)電荷足夠小,就能大幅度地提升轉(zhuǎn)換效率.最高的95%的轉(zhuǎn)換效率即是這樣獲得的,業(yè)界將其稱(chēng)為CoolSet,即冷裝置,不再需要散熱器和風(fēng)扇了.
這種電路拓樸的輸出電壓在12V、15V輸出時(shí)效率最高,電壓降低或升高,效率隨之下降.輸出電壓超過(guò)28V時(shí),將與肖特基二極管整流的效果相當(dāng).輸出電壓低于5V時(shí)采用倍流整流會(huì)使變壓器利用更充分,轉(zhuǎn)換效率也會(huì)更高.
全橋硬開(kāi)關(guān)電路在二次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS,VCS同步整流的方框電路及工作波形給出如下,見(jiàn)圖:
在ZVS及ZCS同步整流技術(shù)應(yīng)用于工程獲得成功后,人們?cè)诓粚?duì)稱(chēng)電路拓樸中也在進(jìn)行軟開(kāi)關(guān)同步整流控制的試驗(yàn).例如已經(jīng)有了有源箱位正激電路的同步整流驅(qū)動(dòng)(NCP1560),雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動(dòng)(LTC1681及LTC1698)但都未取得如對(duì)稱(chēng)型電路拓樸的ZVS,ZCS同步整流的優(yōu)良效果.
近來(lái),TI的工程師采用予撿測(cè)同步整流MOSFET開(kāi)關(guān)狀態(tài),然后用數(shù)字技術(shù)調(diào)整MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間的方法突破性的做出ZVS的同步整流,從而解決了非對(duì)稱(chēng)電路的軟開(kāi)關(guān)同步整流,詳情見(jiàn)專(zhuān)題論述.
近年來(lái),復(fù)合電路拓樸也迅速發(fā)展起來(lái),這種電路拓樸的集中目標(biāo)都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài).當(dāng)初級(jí)電壓變化一倍時(shí),二次側(cè)的占空比會(huì)相應(yīng)縮小一半.而MOSFET的源漏電壓卻升高一倍.這意味著我們必須選擇更高耐壓的同步整流用MOSFET.我們知道,從半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)分析MOSFET這種器件,當(dāng)其耐壓高一倍時(shí),其導(dǎo)通電阻會(huì)擴(kuò)大兩倍.這對(duì)于用做同步整流十分不利,于是我們?cè)O(shè)想可否將二次側(cè)同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%.這樣我們選擇比輸出電壓高2.5倍的MOSFET就可以了.例如:3.3V輸出電壓時(shí)同步整流MOSFET的耐壓選12V檔就可以了.而占空比變化大的我們就得選20V甚至30V的MOSFET,大家對(duì)比一下,12V的MOSFET會(huì)比20V的MOSFET的導(dǎo)通電阻小很多!正是基于這樣一種思維,美國(guó)業(yè)界工程師先后搞出了多個(gè)復(fù)合電路拓樸.
第一家申請(qǐng)專(zhuān)利的是美國(guó)SynQor公司,它的電路為Buck加上雙組交互forward組合技術(shù).第一級(jí)是同步整流的Buck電路,將較高的輸入電壓(36~75V)降至某一中間值如26V.控制兩管占空比在30~60%工作.第二級(jí)為兩組交互forward電路.各工作在50%占空比,而且兩者輸出相位相差180º剛好互補(bǔ).變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài).Buck級(jí)只要輸出濾波電感,而forward級(jí)在整流后只要輸出濾波電容.如此情況下SynQor產(chǎn)品獲得了92%以上的轉(zhuǎn)換效率.下面給出其電路,其控制IC就是我們熟知的UCC3843.它利用一顆IC巧妙地控制了上述全部功能.
第二家申請(qǐng)專(zhuān)利的是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司,它的電路為Buck加上一組對(duì)稱(chēng)拓樸(推挽、半橋、全橋).第一級(jí)與SynQor公司相同,而第二級(jí)則為對(duì)稱(chēng)型電路拓樸.這樣就可方便地實(shí)現(xiàn)ZVS,ZCS同步整流,它的同步整流不僅是ZVS,ZCS軟開(kāi)關(guān)的,而且是最大占空比條件下的同步整流.如此情況下,它獲得了94%的轉(zhuǎn)換效率,下面給出其電路,見(jiàn)圖:限于兩級(jí)交聯(lián)其效率畢竟為兩級(jí)的乘積,因此這種方式的最高效率還是受到限制.
國(guó)家半導(dǎo)體公司給出的控制IC是當(dāng)今最新穎獨(dú)特的.首先它無(wú)需起動(dòng)電路.可直接接100V以下高壓.其次它驅(qū)動(dòng)Buck電路的電平位移電路也做在IC內(nèi)部.然后還同步地給出第二級(jí)的雙路輸出驅(qū)動(dòng).可直接驅(qū)動(dòng)推挽電路,或加上驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)半橋或全橋電路,二次側(cè)反饋的光耦可直接接至IC.此IC即今年剛問(wèn)世的LM5041,其框圖及應(yīng)用電路如圖.
以上兩種電路拓樸由于二次占空比不變還很適合多路輸出.復(fù)合電路拓樸中還有一個(gè)新的發(fā)明就是推挽電路二次側(cè)同步整流之后再加上Buck電路以實(shí)現(xiàn)多輸出.采用一顆UCC3895再加上幾個(gè)門(mén)電路形成了一個(gè)革命性的變革組合.其電路如下.這是一個(gè)很奇妙的思維及組合,其推挽及同步整流也都是處在最大占空比之下工作的,但電壓卻在變化著.其電路框圖給出如圖.
在開(kāi)關(guān)電源中普遍應(yīng)用高頻鐵氧體磁芯,作為變壓器和電感,由于鐵氧體固有的磁滯特性,使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)所有各類(lèi)電路拓樸時(shí)都不得不面對(duì)這個(gè)問(wèn)題.在此之前絕大多數(shù)電路的做法都是用R、C、D網(wǎng)絡(luò)將該部分磁能消耗掉,對(duì)變換器效率有幾個(gè)百分點(diǎn)的影響.由于還有比它損耗比例更大的部位,所以注意力并沒(méi)有放在此處.然而到了轉(zhuǎn)換效率升至90%以上時(shí),這種做法就絕對(duì)不可以了.從現(xiàn)在DC/DC工程化的產(chǎn)品來(lái)看,由于增加半導(dǎo)體器材(如MOSET、驅(qū)動(dòng)IC等)是易如反掌的事.因此多數(shù)電路拓樸選用的是全橋電路拓樸及雙晶體管正激電路.這兩個(gè)電路是能使磁芯自動(dòng)復(fù)位的最佳拓樸.對(duì)全橋電路與四個(gè)MOSFET并接上四個(gè)肖特基二極管即可,當(dāng)對(duì)角線MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí),變壓器初級(jí)繞組勵(lì)磁電感中的能量可自動(dòng)地通過(guò)另兩個(gè)二極管回饋至供電電源.如果工作頻率不高,或選用了具快恢復(fù)性能體二極管的MOSFET,就可以省掉這四支肖特基二極管.這很適合100W以上的大功率DC/DC.而對(duì)于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路.它的復(fù)位原理已人盡皆知,唯一的不足就是最大只有50%的占空比.對(duì)小功率的forward電路近年來(lái)開(kāi)發(fā)出一個(gè)諧振式自動(dòng)復(fù)位電路.用了幾個(gè)無(wú)源元件就能基本無(wú)損耗地將磁芯復(fù)位,其不足點(diǎn)也是最大占空比僅有50%,此外就是主功率MOSFET的耐壓要提升約30%.(其電路見(jiàn)附圖)
目前,美國(guó)幾家高級(jí)DC/DC制造商已經(jīng)在高功率密度的DC/DC中使用了小型微處理器的技術(shù).首先它可以取代很多模擬電路,減少了模擬元件的數(shù)量,它可以取代窗口比較器 、檢測(cè)器、鎖存器等完成電源的起動(dòng)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)熱保護(hù)等功能.由于這些功能都是依靠改變?cè)谖⒖刂破魃线\(yùn)行的微程序.所以技術(shù)容易保密.此外,改變微控制器的微程序還可以適應(yīng)同一印板生產(chǎn)多品種DC/DC的要求,簡(jiǎn)化了器材準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理等的復(fù)雜工作.由于它是數(shù)字化管理,它的保護(hù)功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多,有了它還可以解決多個(gè)模塊并聯(lián)工作的排序和均流問(wèn)題.
第二代微控制器控制的DC/DC還沒(méi)有將典型的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行全面的數(shù)字閉環(huán)控制,但是已經(jīng)沒(méi)有PWM IC出現(xiàn)在電路中,一個(gè)小型MCU參與DC/DC的整個(gè)閉環(huán)控制.但PWM部分仍是模擬控制,現(xiàn)在,采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器參與脈寬調(diào)制,最大、最小占空比控制、頻率設(shè)置、降頻升頻控制、輸出電壓的調(diào)節(jié)等工作,以及全部保護(hù)功能的DC/DC變換器已經(jīng)問(wèn)世.這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開(kāi)關(guān)電源,是全數(shù)字化的電源,這時(shí)DC/DC的數(shù)字化進(jìn)程就真正地實(shí)現(xiàn)了.好在半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步能很大幅度地降低芯片成本,因此,電源技術(shù)的數(shù)字化革命應(yīng)該說(shuō)號(hào)角已經(jīng)吹響.該讓我們向在模擬領(lǐng)域進(jìn)行電源技術(shù)攀登的工程師們開(kāi)始敲起數(shù)字化的進(jìn)行曲了!使用DSP控制的數(shù)字電源我們另文介紹.
下面我們介紹世界著名DC/DC開(kāi)發(fā)制造商的產(chǎn)品特色.
1. Galaxy pwr公司
世界頂級(jí)、全橋自動(dòng)復(fù)位硬開(kāi)關(guān)ZVSZCS同步整流.全部工作用微控制器MCU控制,效率94~95%.解剖電路見(jiàn)圖.
2. Synqor兩級(jí)并聯(lián),Buck+雙互補(bǔ)forward同步整流微控制器,PWM IC和MCU IC控制,效率92~93%.解剖電路見(jiàn)圖.
3. Glary第三代有源箱位,雙互補(bǔ)forward并聯(lián),同步整流,效率92%,功率密度240W/in3,1/4磚250W.解剖電路見(jiàn)圖.
4. DIDT二次側(cè)PWM控制的初級(jí)半橋及全橋.
ZVS,ZCS同步整流,效率91%.解剖電路見(jiàn)圖.
5. Ericsson全橋硬開(kāi)關(guān)ZVS,ZCS同步整流,效率93%.解剖電路見(jiàn)圖.
6. VICOR第一代有源箱位,大功率輸出高功率密度,89%效率.解剖電路見(jiàn)圖.
7. Artesyn互補(bǔ)有源箱位Push-pull,效率90%,自偏置同步整流.解剖電路見(jiàn)圖.
8. TYCO有源箱位forward,同步整流,世界DC/DC的主導(dǎo)商,世界標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)立者.
9. Lambda有源箱位P-溝MOSFET有源箱位,自偏置同步整流.解剖電路見(jiàn)圖.
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%,解剖電路見(jiàn)圖.
11. 其它10余家公司產(chǎn)品只能給出照片,因未曾得到樣品進(jìn)行解剖,但所用技術(shù)應(yīng)不會(huì)跳出我們上面所述的范圍.

總結(jié)上述調(diào)研我們可以看到,半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步是DC/DC技術(shù)變化的強(qiáng)大動(dòng)力.
(1) MOSFET的技術(shù)進(jìn)步給DC/DC模塊技術(shù)帶來(lái)的巨大變化,同步整流技術(shù)的巨大進(jìn)步.
(2) Schottky技術(shù)的進(jìn)步.
(3) 控制及驅(qū)動(dòng)IC的進(jìn)步
a. 高壓直接起動(dòng)
b. 高壓電平位移驅(qū)動(dòng)取代變壓器驅(qū)動(dòng)
c. ZVS,ZCS驅(qū)動(dòng)器貢獻(xiàn)給同步整流最佳效果.
d. 光耦反饋直接接口.
PWM IC經(jīng)歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉(zhuǎn)換,又經(jīng)歷了硬開(kāi)關(guān)=>軟開(kāi)關(guān)=>硬開(kāi)關(guān)的否定之否定變化.掌握優(yōu)秀控制IC是制作優(yōu)秀DC/DC的前提和關(guān)鍵.
(4) 微控制器及DSP進(jìn)入DC/DC是技術(shù)發(fā)展的必由之路.
(5) 磁芯技術(shù)的突破是下一代DC/DC技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵,也是巨大難題.
對(duì)非隔離DC/DC的討論在本文中從略(另敘)
對(duì)AC/DC的降頻、頻率抖動(dòng)、無(wú)載損耗控制、高壓起動(dòng)等以及PFC的討論在本文中也從略.

文章之三

基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)
作者:華南理工大學(xué) 吳開(kāi)源 李陽(yáng) 陸沛濤 黃石生


弧焊逆變電源(亦稱(chēng)弧焊逆變器)是一種高效、節(jié)能、輕便的新型弧焊電源.目前,采用IGBT作為功率控制器件來(lái)提高功率主電路的控制性和穩(wěn)定性,以8位或16位單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行焊接程序控制和焊接參數(shù)運(yùn)算處理,提高了弧焊逆變電源的操作性.
數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的廣泛普及和應(yīng)用,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎(chǔ).

DSP與單片機(jī)性能比較分析
單片機(jī) (MCU)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端,主要起控制作用.DSP可高速地實(shí)現(xiàn)過(guò)去由軟件實(shí)現(xiàn)的大部分算法.表1 比較了典型單片機(jī)和DSP的性能指標(biāo).
由表1可知,與單片機(jī)相比,DSP的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、高運(yùn)算速度、能實(shí)時(shí)完成復(fù)雜計(jì)算、單周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采樣周期.
就目前技術(shù)現(xiàn)狀,將DSP和單片機(jī)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一種很好的方法,充分發(fā)揮單片機(jī)控制能力強(qiáng)的特點(diǎn)和DSP強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度的優(yōu)勢(shì).從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性,滿足弧焊逆變電源更高的性能要求.
目前適用于弧焊逆變電源控制的DSP主要有TI公司的TMS320C2000系列、ADI公司的ADSP2100系列、Motorola公司的DSP56F800系列.下面以TI公司的16位定點(diǎn)TMS320LF2407A為例說(shuō)明DSP的結(jié)構(gòu),如圖1所示.
由圖1可見(jiàn)DSP的結(jié)構(gòu)特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應(yīng)用,主要表現(xiàn)為:
改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu);流水線操作;采用硬件乘法器;快速的指令周期;TMS320LF2407A的時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHz,即指令周期為25ns,運(yùn)算能力為40MIPS(每秒百萬(wàn)條指令).芯片有一套專(zhuān)門(mén)為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng).指令集簡(jiǎn)化了數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程;優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路:從圖1可見(jiàn)在DSP芯片中集成了A/D轉(zhuǎn)換、大容量存儲(chǔ)器、定時(shí)器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數(shù)字I/O口、SPI、SCI、CAN,其中4個(gè)通用定時(shí)器和12個(gè)比較單元的結(jié)合能產(chǎn)生多達(dá)16路的PWM輸出,足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動(dòng).
此外,TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ堋⒂布ぶ房刂埔约岸喾N節(jié)電模式等特有的性能,這些特性將有利于TMS320LF2407A在弧焊逆變電源控制中的應(yīng)用.

控制系統(tǒng)組成與工作原理
根據(jù)單片機(jī)和DSP的各自優(yōu)勢(shì),我們選擇了以單片機(jī)為上位機(jī),DSP為下位機(jī)的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案,如圖2所示.
控制系統(tǒng)由單片機(jī)、DSP、鍵盤(pán)、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)組成,與以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成.
方案中的單片機(jī)采用Winbond公司的W77E58,DSP為T(mén)I公司的TMS320LF2407A.
在這一方案中單片機(jī)主要完成焊接程序控制和人機(jī)接口,因人機(jī)接口對(duì)速度要求是比較低的,對(duì)控制能力的要求較高,人機(jī)接口功能包括:焊接參數(shù)的給定及實(shí)時(shí)顯示.
DSP主要完成采樣信號(hào)的反饋運(yùn)算及PWM脈沖序列的生成,DSP根據(jù)電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機(jī)提供的給定值在DSP內(nèi)部完成復(fù)雜的算術(shù)邏輯運(yùn)算,輸出適當(dāng)寬度的PWM脈沖信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后用于IGBT柵級(jí)驅(qū)動(dòng),以控制電源的輸出電流、電壓,實(shí)現(xiàn)弧焊逆變電源的控制.單片機(jī)和DSP之間的通信由SCI串行接口實(shí)現(xiàn).
控制系統(tǒng)重要組成部分基本工作原理分述如下:
電流反饋
本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來(lái)檢測(cè)電流,由于TMS320LF240A的A/D輸入信號(hào)范圍為0~5V,因此,必須將霍爾元件輸出的小電流信號(hào)首先變換為電壓信號(hào),再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換通道.
PWM輸出和功率驅(qū)動(dòng)
TMS320LF240A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號(hào),有從0~16ms的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出,可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件.功率驅(qū)動(dòng)采用變壓器驅(qū)動(dòng).
保護(hù)功能
為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路安全可靠地工作,TMS320LF240A提供了PDPINT引腳,利用它可方便地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、過(guò)溫等保護(hù)功能.
各種故障信號(hào)經(jīng)光電隔離后輸入到PDPINT引腳,有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)PDPINT引腳被拉為低電平,此時(shí)DSP內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù),所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài),現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào),通知CPU有異常情況發(fā)生.整個(gè)過(guò)程不需要程序干預(yù),全部自動(dòng)完成,這對(duì)實(shí)現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用.
控制系統(tǒng)特點(diǎn)
基于DSP從以下各個(gè)方面改善了弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo):
設(shè)計(jì)方面
傳統(tǒng)的單片機(jī)弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多,元器件易受損,從而增加了維修和維護(hù)的工作量;而基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)元器件顯著減少.
速度方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機(jī)和DSP的優(yōu)勢(shì),從而大大提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.
精度、穩(wěn)定性方面
TMS320LF2407A為16位定點(diǎn)DSP,可以達(dá)到10-5的精度.消除了模擬系統(tǒng)中參數(shù)的容差、漂移導(dǎo)致的控制器參數(shù)的變化,穩(wěn)定性提高.
靈活性方面
基于DSP的控制系統(tǒng)靈活性好,參數(shù)容易改變,便于升級(jí).設(shè)計(jì)工作主要集中在軟件上,通過(guò)編程可用同一塊控制板實(shí)現(xiàn)不同的焊接工藝控制.
控制算法實(shí)現(xiàn)方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)有望突破經(jīng)典控制方法,而采用更為先進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù).
接口方面
基于DSP的控制系統(tǒng)與其它現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的,與這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多.

結(jié)語(yǔ)
DSP技術(shù)的高速發(fā)展和DSP應(yīng)用的普及,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的選擇.就目前的技術(shù)現(xiàn)狀,以單片機(jī)為上位機(jī),負(fù)責(zé)焊接程序控制和人機(jī)接口,以DSP為下位機(jī),負(fù)責(zé)焊接參數(shù)反饋運(yùn)算和PWM波形的產(chǎn)生,是一種較好的解決方案.
這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛起步,是一項(xiàng)前景廣闊的新技術(shù),必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.■

參考文獻(xiàn):
1. 黃石生. 新型弧焊電源及其智能控制 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)再版社. 2000.
2. 張雄偉,曹鐵勇. DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用(第2版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社. 2000.
3. 劉和平. TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社. 2002.

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圖1 TMS320LF2407A體系結(jié)構(gòu)框圖

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圖2 基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)原理框圖

文章之四

程控多功能三相功率源的設(shè)計(jì)
作者:沈陽(yáng)電力高等專(zhuān)科學(xué)校 呂勇軍


前言
程控三相交流功率源的應(yīng)用十分廣泛,它被大量應(yīng)用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè).用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機(jī)軟啟動(dòng)等工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域,還可以用于計(jì)量以及產(chǎn)品的性能試驗(yàn)等方面.用于計(jì)量和產(chǎn)品試驗(yàn)等領(lǐng)域的功率源對(duì)于其輸出波形要求較高,要求功率源輸出完整的正弦波信號(hào),對(duì)于正弦波的失真度有一定的限制.目前此類(lèi)交流功率源的實(shí)際輸出功率都很小,它們一般只強(qiáng)調(diào)單項(xiàng)指標(biāo),即電流或電壓輸出.而用于電能表計(jì)量時(shí),其功率源輸出的不是真實(shí)的功率,而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量.在某些產(chǎn)品的性能試驗(yàn)或計(jì)量過(guò)程中需要產(chǎn)生實(shí)際的交流功率,且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨(dú)立調(diào)節(jié).目前的交流功率源都無(wú)法滿足要求,本文介紹的三相功率源就是為解決這個(gè)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的,它能輸出低失真度的正弦波信號(hào),最大輸出功率200W,能實(shí)現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨(dú)立調(diào)整,能夠產(chǎn)生既不平衡又不對(duì)稱(chēng)的功率信號(hào).

硬件設(shè)計(jì)
整機(jī)原理
為滿足程控功率源的功能要求,本設(shè)計(jì)采用的是多CPU結(jié)構(gòu),由一個(gè)單片機(jī)作為控制單元,控制三個(gè)相互獨(dú)立的相信號(hào)發(fā)生器,產(chǎn)生三個(gè)互差120°的正弦電壓信號(hào).每一相信號(hào)發(fā)生器都以一個(gè)單片機(jī)為核心,產(chǎn)生一個(gè)幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號(hào),該電壓信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后輸出.控制單元負(fù)責(zé)管理鍵盤(pán)、液晶顯示及串口通信,控制相信號(hào)發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號(hào).控制單元通過(guò)I2C串行總線與各相信號(hào)發(fā)生器連接,并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù).圖1為整機(jī)原理框圖.
相信號(hào)發(fā)生器
相信號(hào)發(fā)生器的原理如圖2所示.單片機(jī)選用Cygnal公司推出的C8051F016,該單片機(jī)是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機(jī)的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片.該系列單片機(jī)采用CIP-51內(nèi)核,指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容.它采用流水線結(jié)構(gòu),淡化了機(jī)器周期的概念,指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位,因此大大地提高了指令運(yùn)行的速度,最大速度可達(dá)25MIPS.
C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變?cè)鲆娴?、多通道?0位A/D轉(zhuǎn)換器,這是一個(gè)功能強(qiáng)大的ADC子系統(tǒng),它包括一個(gè)9通道的模擬多路開(kāi)關(guān)、一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置一個(gè)1.2V、15ppm/℃的電壓基準(zhǔn).該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器.
C8051F016還有兩個(gè)12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門(mén)狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路.
正弦信號(hào)的產(chǎn)生
相信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)的基本思想是,利用單片機(jī)按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號(hào),每次輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號(hào)的模擬信號(hào),連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個(gè)模擬正弦波信號(hào).一般情況,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF,就是說(shuō)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF.因此,可利用對(duì)參考電壓的控制來(lái)改變信號(hào)發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值.
DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器,用它和兩級(jí)放大器構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路,輸出雙極性的正弦波電壓信號(hào).利用C8051F016單片機(jī)內(nèi)部的12位DAC輸出一個(gè)可變的直流控制電壓,為DAC0832提供參考電壓UREF,單片機(jī)根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設(shè)定值改變此控制電壓,則信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定.
交流參數(shù)測(cè)量
為保證輸出信號(hào)滿足設(shè)定要求,單片機(jī)還要實(shí)時(shí)測(cè)量本相信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值.C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS,本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測(cè)量,可充分利用單片機(jī)的資源.
對(duì)于該信號(hào)發(fā)生器輸出的電流和電壓進(jìn)行交流采樣,將它們的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1,單片機(jī)對(duì)它們進(jìn)行交流采樣,每周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)均為500點(diǎn),然后對(duì)這些采樣值進(jìn)行計(jì)算,分別計(jì)算出電流和電壓的有效值.
除了測(cè)量交流電流和交流電壓,還要測(cè)量本信號(hào)發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的相位差,以保證三相電壓的對(duì)稱(chēng)性.方法是利用單片機(jī)內(nèi)部的比較器對(duì)相鄰兩輸出電壓進(jìn)行相位比較,測(cè)量出它們的相位差.測(cè)量時(shí)將兩相的輸出電壓取樣、整形,然后分別加到兩比較器的正端,由單片機(jī)進(jìn)行判斷,計(jì)算出相位差.
功率放大器
功率放大器是對(duì)前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大,以滿足功率源輸出功率的要求.功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運(yùn)算放大器OPA541,該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V,最大輸出電流10A.除了具有良好的功率輸出特性外,還具有使用方便、電路調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).功率放大電路如圖3所示.
使用該芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:
(1)輸出保護(hù).當(dāng)負(fù)載為感性時(shí),由于電流的滯后會(huì)引起電壓的反沖尖峰,該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端,極易擊穿其輸出級(jí).為保證功放管安全,應(yīng)在其輸出端與電源之間并接高速快恢復(fù)二極管,其反向恢復(fù)時(shí)間小于100ns.
(2) 電流限制.為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi),應(yīng)采用限流電阻進(jìn)行限流,以防止電流過(guò)大,當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定的最大電流時(shí),功放管就會(huì)自動(dòng)保護(hù),避免管子損壞.具體接法見(jiàn)圖3.限流電阻的選擇參照下式:
R=0.809/|IMAX|-0.057
式中IMAX為最大輸出電流.
(3) 消除耦合,抑制干擾.主要方法有:外殼接地,對(duì)功放管進(jìn)行屏蔽,防止外部干擾.輸入與輸出回路隔離,消除由于耦合電容引起的正反饋.
控制單元
控制單元是本裝置的核心,負(fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話,接受鍵盤(pán)信息和串口的程控命令,向各相信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制命令,包括電壓幅值和相位值的設(shè)定值等.
控制單元電路如圖4所示.CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機(jī),它片內(nèi)帶有16Kflash存儲(chǔ)器,既可并行編程又可以串行編程.它采用先進(jìn)的CMOS工藝的80C51內(nèi)核,指令集與80C51相同,但指令周期為6個(gè)時(shí)鐘周期,是傳統(tǒng)80C51的一半.內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計(jì)數(shù)器陣列、可編程時(shí)鐘輸出及Boot ROM等,使芯片功能更強(qiáng)大.顯示器選用清華蓬遠(yuǎn)的點(diǎn)陣式液晶圖形顯示模塊M-12864.該模塊內(nèi)藏點(diǎn)陣圖形顯示控制器,提供了行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口,與單片機(jī)的接口十分方便,可顯示中文、西文及圖形等.8279是通用可編程鍵盤(pán)、顯示器接口芯片,它能管理64鍵的鍵盤(pán),自動(dòng)掃描、消抖、識(shí)別按鍵、給出鍵碼,且易于接口.

軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)時(shí),分為控制單元和信號(hào)發(fā)生器兩部分進(jìn)行.其程序設(shè)計(jì)基本方法相同,都是先實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)練的主程序,然后在此基礎(chǔ)上,把所有要完成的功能編制成相應(yīng)的任務(wù)模塊.根據(jù)模塊各自的特點(diǎn),或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度,或者在響應(yīng)中斷后執(zhí)行,最后完成整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能.
信號(hào)發(fā)生器主要軟件模塊有:
(1)系統(tǒng)自整定模塊:其功能是完成系統(tǒng)的自動(dòng)整定,包括整機(jī)硬件設(shè)備的自檢、自診斷等.
(2)正弦信號(hào)發(fā)生模塊:將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器當(dāng)中,CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設(shè)定值計(jì)算出正弦信號(hào)的周期,再計(jì)算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長(zhǎng),按此步長(zhǎng)周期性地輸出正弦數(shù)據(jù).根據(jù)設(shè)定的輸出電壓的幅值,計(jì)算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值,由單片機(jī)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出.
(3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊:主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號(hào)的采樣并計(jì)算出其相應(yīng)的真有效值.測(cè)量相鄰兩相電壓之間的相位差.
(4)計(jì)算和調(diào)整模塊:根據(jù)控制單元設(shè)定的電壓及相鄰電壓相位差,計(jì)算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長(zhǎng)值,使輸出達(dá)到設(shè)定值.
控制單元主要軟件模塊有:
(1)鍵盤(pán)處理模塊和液晶顯示模塊:鍵盤(pán)處理模塊完成按鍵的識(shí)別功能,并在確認(rèn)有效按鍵后調(diào)用相應(yīng)按鍵功能函數(shù)進(jìn)行處理.顯示模塊則負(fù)責(zé)管理各級(jí)菜單,顯示參數(shù)的設(shè)定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容.
(2) RS485通信模塊:完成異步串行口RS485接口管理功能,負(fù)責(zé)接收來(lái)自遠(yuǎn)程控制命令.
(3) I2C通信模塊: 完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理.負(fù)責(zé)發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令,接收信號(hào)發(fā)生器送回的狀態(tài)信號(hào).

主要技術(shù)指標(biāo)
該三相交流功率源的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
● 輸出相電壓范圍 0~220V
● 輸出相電流范圍 0~7A
● 輸出頻率范圍 40~60Hz
● 每相最大輸出功率 200W
● 電壓、電流調(diào)節(jié)步長(zhǎng) 0.5%
● 輸出電壓、電流精度≤0.5%
● 輸出頻率精度 ≤0.1Hz
● 輸出正弦波波形失真度≤0.8%

結(jié)語(yǔ)
程控三相交流功率源在結(jié)構(gòu)上采用了基于I2C串行總線的多CPU結(jié)構(gòu),使得本裝置對(duì)輸出的控制能力具有較大的靈活性.在單片機(jī)的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強(qiáng)大的單片機(jī),大大地簡(jiǎn)化了裝置的硬件設(shè)計(jì).選擇單片大功率集成運(yùn)算放大器作為裝置的功率放大,可以簡(jiǎn)化功放電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試,并使它的性能指標(biāo)得到提高.總之,程控三相交流功率源具有各相分別程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強(qiáng)大的功能,又有操作方便、工作可靠等特點(diǎn).它將給一些產(chǎn)品試驗(yàn)以及計(jì)量領(lǐng)域提供極其方便的試驗(yàn)設(shè)備和條件,并解決了某些難以解決的問(wèn)題.■
參考文獻(xiàn):
1．潘琢金,施國(guó)君 編著, C8051Fxxx 高速SOC單片及原理及應(yīng)用,北京航空航天大學(xué)出版社 2002年.
2． PHILIPS最新80C51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè),廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.
3．BURR-BROWN IC DATABOOK,LINER PRODUCTS, 1995.


500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104389416.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖1 整機(jī)框圖
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圖2 相信號(hào)發(fā)生器
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圖3 功放原理圖
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圖4 控制單元原理圖

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頂!

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