李珍珍

【摘 要】本设计以单片机为控制方式，以Buck电路为对象，采用PID控制策略，研制了一个有电压显示的数控直流稳压电源。论文详细介绍了系统设计方案、各部分的组成及其工作原理；在软件方面设计了系统流程图，编写了程序代码，并在实物电路上调试成功，实际结果表明输出电压可调范围为0V—24V，最大电流为10A，效率90%以上，并可由数码管显示当前输出电压值。系统具有输出内阻低、功耗低、通用性好、可靠性高、线路简单、成本低廉、使用直观方便的优点。

【关键词】Buck；单片机；PID；数控电源

中图分类号： TG659 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.058

0 引言

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业，电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。本文提出了一种数字化智能电源模块设计方案，针对传统智能电源模块的不足，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

1 提出方案设计工作原理

1.1 基本拓扑结构及工作原理

本文采用如上图1所示的数控直流稳压电源的基本拓扑结构，包括了模数转换器（ADC）、实现一些控制算法的微控制器以及一个数字脉冲宽度调制器（DPWM），该DPWM控制器输出并产生驱动执行开关动作的一个或几个晶体管所需的信号。

对于本设计电源开关和滤波器部分共同构成Buck电路的基本结构，负责DC/DC电压转换。采样模块负责收集直流输出信号并传递给模数转换模块，模数转换模块将输入的模拟信号转换为数字信号，作为控制处理器的输入信号。控制处理器包含同基准电压进行比较的比较器、数字PID调节的计算单元、自动检测单元等。控制处理器负责将经过数字化处理的直流输出采样信号同基准电压进行比较，通过PID调节快速准确地向DPWM模块发出控制信号，进而稳定电压。DPWM模块，即数字脉冲宽度调制模块是数字化的PWM模块，根据控制处理器提供的控制信号，通过改变输出方波的占空比调剂电源开关部分，实现DC/DC变压。

1.2 Buck电路基本原理

Buck基本结构如图2所示，通过控制SW开关给电容和电感充电储能，以达到高效率的能量转换。电感L和电容C为输出端滤波电路，将脉冲波变成纹波较小的直流波；D为续流二极管。

开关接通时，其参数输入电压Ud，输出电压Uo，电感L，电容C，其四者在t时刻的关系为开关接通时，其参数输入电压Ud，输出电压Uo，电感L，电容C，其四者在t时刻的关系为：

开关管接通时输入的能量通过电感L对电容C充电，电感中电流线性增加，并在电感L中储存能量，而电容两端的电压基本不变，此时开关管两端的压降比较低。

开关管断开时，其参数电感L的两端产生右正左负的感应电动势，使二极管D承受正向电压导通，电感中的能量通过二极管和电容形成新的一个回路，此时电感中的电流线性下降，从而把电感中贮存的能量放给电容充电中。电流、电压关系如式（3）和式（4）所示

综合开关管导通和截止的两种情况，Buck电路总体电流和输出电压情况如图3和图4所示。

3 具体硬件设计

3.1 系统整体结构

按键中输入想要的电压0V-24V，此时输入的电压就可以通过单片机进行计算。计算方法采用PID来控制它的脉宽输出即控制PWM电路，反馈电压就是当前所测电压，这时单片机再对所设定输入的电压值进行比较计算，计算后对PWM电路进行控制，最后由数码管显示当前电压。单片机一直处于工作状态，实时计算当前电压。

3.2 系统电路原理图

该原理图是在Protel软件上完成的，图6中共有3个模块。左上角模块为整流模块，是将变压器降压后的36V交流电整流为36V直流电，再通过LM2596开关电压调节器得到5V直流电源；右上角模块为单片机控制电路和单片机（JP2）程序下载串口；左下角模块为Buck电路。

3.3 Buck电路设计

如图7所示，开关管IRF9540电流达到10A，所以利用3个4A的电感并联，但电感并联后引发感抗降低，所以后面要串联上两级的3个电感并联，以达到在不改变电感感抗的情况下加大电流。电路中所用的电容是利用5个电容并联，目的是加大电容容量减少纹波，同时也利用三个达林顿二极管并聯加大回流电流。

开关管参数选择为：频率100K，最大电流10A，输出电压范围0到24V，输入电压为36V，纹波小于1mV。

3.4 单片机电路设计

4 测量实验结果

本设计采用四位数码管显示。实际调试结果表明电路误差不超过。造成误差的主要原因是温度系数变化（电路中的元器件发热——反馈电阻发热），电压越大反馈电阻温度越高，造成输出误差越大。

5 结语

本文提出了一种基于PID控制的数控直流稳压的开关电源设计，采用单片机控制方式，利用PID计算，研制有电压显示的数控直流稳压电源。

该系统具有输出内阻低、功耗低、通用性好、可靠性高、线路简单、成本低廉、使用直观方便的优点。可用在《基于变频器的楼宇恒压供水实验模型设计的研究》的项目。

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