陈敏捷， 殳国华， 周平， 张俊贺

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海　200240)



直流数字稳压电源的开发

陈敏捷， 殳国华， 周平， 张俊贺

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240)

常见电源的输入电压为交流市电220 VAC,输出电压在1 V～300 V范围内可实现连续调节。为开发高功率密度高功率因数高效率的直流数字稳压电源,以APFC作为输入级以全桥变换器作为主功率变换拓扑、以C2000系列微控制器TMS320F28027作为主控芯片、以基于峰值电流模式的移相控制作为控制策略研发直流数字电源。最终制作了一台实验样机，测试并验证了可行性。

数字电源;APFC;全桥变换;移相控制;C2000

0　引　言

直流稳压电源应用十分广泛，例如实验室电源，就是面向实验室应用及在实验室条件下工作的电源。这种电源往往要求有独特的性能，包括输出电压必须可调、具有较好的负载调整率和动态响应能力、较强的防电流浪涌能力、防止过电压等。当然还要在短路保护、漏电保护、静电屏蔽、差模噪声、共模噪声等方面满足电源标准及安全规范的要求[1]。它的性能决定着研究及应用的质量，尤其是对测量质量起着决定性影响。

Boost电路在PFC中应用广泛，功率因数校正效果良好，以其作为输入级，可以有效提高电源的功率因数，大幅减少谐波。全桥拓扑依靠增加开关管数量而减少开关管电压应力，是大功率时的首选拓扑。移相控制策略可使拓扑实现软开关，消除开关频率的限制，进而提高电源的功率密度。峰值电流模式由于其固有的电压前馈、自动逐周期电流限制以及磁通均衡等优势使其成为优先考虑采用的控制机制。本文综合上述技术，设计制作了面向实验室等应用场所的直流数字电源。

1　电源系统原理图

直流稳压电源系统是一种功率转换装置，将输入交流电转变为所需要的直流电压等级。本文所采取的结构是两级方案，前级AC/DC主要承担将交流市电转化为直流电的任务，后级DC/DC主要负责输出可调直流电压。系统结构图如图1所示。

本系统采用两级方案，输入整流电路采用Boost拓扑通过特定的控制方法实现有源功率因数校正的效用，减少用电设备谐波的产生。主功率级DC/DC采用基于数字控制的电流模式移相全桥电路，不仅消除变压器的偏磁，及时响应输入电压的变化，而且实现了软开关[2]。

2　系统硬件设计

2.1有源功率因数校正电路

图2　APFC原理框图

采用有源功率因数校正技术(APFC)提高本设计的功率因数，降低总电流畸变率，原理如图2所示，交流输入经过桥式二极管整流后再经过DC/DC变换，在保持输出电压稳定的前提下，经过一定的控制方式整形输入电流波形使其跟踪输入整流电压波形[3]。包含两个控制环：电流内环使输入电流波形跟随输入电压波形，并且保持基本无相位差，电压外环使变压器的输出保持稳定。

2.2基于UCC28019的Boost-PFC电路

本系统APFC控制器选用UCC28019。UCC28019是TI公司推出的应用于连续电流模式(CCM)Boost拓扑PFC的、基于平均电流模式的APFC控制器，其可用于宽电压输入场合，输出功率涵盖100 W至2 kW以上范围。这款控制器工作在定频65 kHz，具有丰富的系统保护功能[4](见图3)。

图3　基于UCC28019的Boost-PFC原理图

如图3所示为本文的基于UCC28019的PFC电路。该电路分为三个部分：EMI滤波器、控制器部分以及主电路部分。EMI滤波器主要用来防止电网和设备的串扰，其包括压敏电阻，共模电感以及差模电感、安规电容等组成[5]。另外，所构建的Boost-PFC主电路还包括由继电器、电阻和三极管驱动电路构成的限制启动浪涌电流的有源抑制电路，可以控制EMI和桥式电路之间的通断。

2.3移相全桥DC/DC电路及软开关的实现

图4示出本文所采用的移相全桥电路原理图。由于全桥变换器是降压式(BUCK)变换器的衍生拓扑，因此在选择器件参数时，输出电压考虑最高输出电压。在设计移相全桥主电路之前，先确定了输入输出参数以及所要求的一些技术指标，列于表1中。

表1　移相全桥技术指标

图4中，MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成一个全桥，将输入的直流电压斩波成方波交流电，经过变压器变压及隔离，在变压器的次级侧上采用全桥整流的方式将方波交流电压整流为方波直流电压，然后经过LC输出滤波器滤波，最终输出想要的直流电压。桥式拓扑实际上是利用增加开关管的数量以达到降低开关管电压应力的目的[6]。变压器次级整流电路选择全桥整流的方式。相比较于其他方式，全桥整流电路节省了变压器的中心抽头，减少变压器次级绕组匝数。并且其适用于电压较高、电流较大的场合，变换器成本也相对比较低。

软开关技术实现减小甚至消除开关管开关过程中电压、电流的重叠，降低开关管电压或电流的变化率从而降低开关管的开关损耗，这为进一步提高开关频率提供了可能[7]。移相全桥主要是利用了开关管的寄生输出电容和变压器原边漏感之间的谐振，实现软开关效果。为了增强谐振效果，主动为开关管并联电容，在变压器初级串联一个小电感，以使谐振效果更好。本设计中采用ZVS方式实现软开关。图4中，Lr为谐振电感，C1、C2、C3、C4是开谐振电容。

图4　移相全桥DC/DC主电路

C2000系列芯片TMS320F28027作为本设计主控芯片，具有高精度PWM产生器、增强型ADC以及模拟比较器和数模转换器等外设并且数模转换器在内部可以直接连接模拟比较器。除此之外，其还具有斜坡发生器等专门用于电流控制模式的功能，因此它非常适合于本设计中基于峰值电流模式的移相全桥电路。

在移相全桥电路的控制电路中，主控芯片产生PWM波，经过驱动变压器隔离驱动全桥的两个桥臂。全桥正常工作之后将会在主电路中产生电压和电流，通过ADC采样输出电压和输入电流并与参考值进行比较，按照峰值电流控制方式调整主控芯片PWM波，从而得到想要的输出。控制电路与主电路输出共地。在这种情况下，对输出电压、输出电流可以通过阻容直接采集，而对原边电流则需要使用电流互感器采集。

2.4开关管驱动设计

由于本设计中所采用的开关管为MOSFET管，在开通瞬间需要提供大电流，在关断瞬间需要抽走大电流，主控芯片的PWM脚提供电流能力有限，因此需要用到PWM驱动芯片。

图5　MOSFET的隔离驱动电路

本设计使用的驱动芯片采用TI公司的UCC27324。所构建的驱动电路如图5所示。

3　数字式移相全桥软件设计

图6　系统控制流程图

图6是数字式移相全桥系统控制流程图。控制系统采用双闭环控制，外环为电压环，其对输出电压进行采样，然后与参考电压相比较，得到的差值送入数字控制器，数字控制器的输出加上一定的斜坡补偿将作为电流峰值进入电流环，电流内环将外部电压环产生的电流峰值与采样得到的原边电流进行比较，从而控制其输出电压跟随参考电压。在本设计中，我们基于TI公司为峰值电流模式数字电源专门打造的TMS320F28027芯片来实现数字式软件设计。

图7　main( )程序流程图

图8　中断服务程序流程图

由上述运行原理，可设计出相应的DSP程序，它主要包括两个部分：C语言部分和汇编语言部分。C语言部分是一般性任务，D主要作为应用的主要支持程序，负责系统任务管理、参数调整、智能监视以及主机交互等任务。图7是其工作流程。

汇编部分被严格限定为中断处理，数字电源对实时性的要求非常高，为了能及时响应，因此要求关键事件均在中断中进行处理。出于对中断时间的严格把控，再加上汇编语言的执行效率更高因此中断中采用汇编语言进行编写。图8描述了本设计中断服务程序流程。

4　实验结果分析

4.1APFC测试结果

该电源装置首要的任务就是输出符合要求的直流电压，输入侧有较高的功率因数。测试波形参数结果如表2所示。表中列出了输入220 V AC输出390 V、408 W时的输出电压、谐波畸变率以及PF值，以及为输入220 VAC输出390 V、1 188 W时的输出电压波形、谐波畸变率以及PF值。测试的结果显示，所得到的输出电压比较满足该设计的要求。

表2　输出波形主要参数

4.2移相全桥DC/DC测试结果

图9　电源输出测试

图9左图为测试的实验样机的输出电压,右图为其纹波波形。可以看出，输出电压非常稳定，纹波在200 mV以内。输出电压纹波率在1%以下，因而设计的方案很好的减小了电压纹波。

4.3效率测试

图10　效率与负载电流关系曲线

在输出电压稳定之后，对移相全桥的效率进行了测试。图10是在不同输出电压下测量的负载电流与效率的关系曲线。可以看出，效率和负载电流有一定的关系。总体来说，移相全桥电路的工作效率较高，峰值效率在92%以上。

5　结束语

通过对样机进行试验以及对试验结果的分析，可以看出在本设计中，有源功率因数校正电路工作情况较好，能有效提高样机的功率因数，滤除谐波含量；移相全桥电路能很好地实现稳压并且可宽范围调节，此外移相控制实现了全桥的软开关效果，降低了开关损耗，提高了效率与功率密度，达到了初始设计时的技术要求。验证了对变换器工作原理的分析，说明主电路和控制系统及其软件的设计是实用的。

[1] 金雷鸣.实验室供电电源的要求及检测[J].上海计量测试,2007,35(2):21-22.

[2] KEITH BILLINGS,TAYLOR MOREY著.张占松，汪仁煌,译.开关电源手册[M].3版.北京：人民邮电出版社,2012.

[3] SANJAYA MANIKTALA著.王志强,译.精通开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社，2008.

[4] 何光俊.单周期控制软开关Boost变换器PFC技术的研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[5] 潘飞蹊.有源功率因数校正技术的研究[D].成都：电子科技大学，2004.

[6] 李永鹤.基于DSP的变压变频电源设计[D].上海:上海交通大学,2013.

[7] 王晓佳.基于DSP的移相全桥ZVS变换器的研究[D].武汉:华中科技大学，2009.

Development of a Digital DC Regulated Power Supply

CHEN Min-jie, SHU Guo-hua, ZHOU Ping, ZHANG Jun-he

(School of Electronic Information & Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

For the common power supply, the input voltage is 220 VAC and the output voltage is continuously adjustable in the range of 1 V～300 V. To develop a digital DC regulated power supply with high power density, high power factor and high efficiency, a digital DC power supply is developed, using APFC as input stage, full-bridge converter as main power conversion topology, C2000 series microcontroller TMS320F28027 as main control chip, and phase shift control based on the peak current mode as control strategy. Finally, an experimental prototype is made, and the feasibility is verified in the test.

digital power, APFC, full-bridge conversion, phase shift control, C2000

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.009

TM351

A

1000-3886(2016)02-0022-03

陈敏捷(1991-)，男，江苏盐城人，研究生，研究方向：开关电源。殳国华(1969-)，男，浙江海宁人，副教授，研究方向：电力电子、计算机控制技术及嵌入式系统应用。周平(1990-)，男，江西赣州人，研究生，研究方向：嵌入式系统应用。张俊贺(1987-)，男，安徽阜阳人，硕士，研究方向：嵌入式系统应用、开关电源。

定稿日期: 2015-10-20