25 V/5 A太阳能直流稳压电源的设计

2011-07-03王朕杨林史贤俊

船电技术 2011年10期

王朕杨林史贤俊

（海军航空工程学院控制工程系，山东 264001）

1 引言

对于经常在野外进行训练的野战部队，如果所处地区无电力供应设施，就会因为备用电源供电不足而影响训练。太阳能是一种资源丰富，既可免费使用又无须运输且对环境无任何污染的清洁能源。随着微电子技术的发展，充分利用太阳能变换成稳定电源已经成为解决野外用电的一种可靠方法。

针对某型野外电台供电电压精度高、纹波小、可靠性高的要求，本文采用高速微处理器DSP TMS320LF2407A设计了一款25 V/5 A太阳能直流稳压电源。该电源在正常情况下充分利用太阳能供电，应急情况下可使用车载蓄电池进行供电，数字调节器的使用使得供电电压精度指标和纹波指标得到极大提高，部队应用证明设计的电源完全达到了设计要求。

2. 稳压电源的设计

单块太阳能电池板的最高输出电压为 17.5 V，本文设计的电源采用两块电池板串联使用，使最高输出电压和最低输出电压分别达到 35 V和10 V。稳压电源的原理框图如图1所示。

太阳能电池板发出的10 V～35 V直流电压经DC/DC调节器调节，再经过稳定蓄能电路得到一个稳定可靠的12 V直流稳压电源，该直流电经推挽式变换器得到一个高频方波交流电源，该电源经全桥式整流电路整流并滤波后得到所需要的25 V/5 A直流稳压电源。输出电压经隔离采样、信号调理后输入DSP。DSP 对采样信号经数字调节器处理后输出PWM控制信号，使输出电压快速稳定在设定的期望值上。通过电压、电流、温度等各种检测信号的AD转换向DSP提供必要的保护信号，使得电源能保持输出电压稳定的同时实现过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护和短路保护等功能。

图1 稳压电源原理框图

2.1 主电路设计

如图2所示，稳压电源的主电路由太阳能电池板、DC/DC调节器[1]、稳定蓄能电路、推挽式变换器[2]、全桥整流电路、滤波稳压电路和采样电路组成。太阳能电池板输出的电压经 DC/DC调节器调节、稳定蓄能电路稳压后得到稳定可靠的12 V直流电压，该指直流电压经推挽式变换器变换后得到高频方波交流电源，该交流电源经桥式整流电路和滤波稳压电路后得到稳定的高精度25 V直流电源。采样电路实现对输出电压和输出电流的采样，采样信号经信号调理后输入DSP。其中电压采样信号用来与给定值比较，经数字调节器后改变推挽式变换器开关管驱动脉冲的占空比，从而调节输出电压；电流采样信号用来实现过流保护。根据开关管温度的采样信号实现过热保护，熔断丝FUSE实现短路保护，二极管VD2防止因 DC/DC调节器输出电压过低出现蓄电池反流现象。

图2 稳压电源主电路原理图

2.2 控制电路设计

2.2.1 控制电路原理设计

TMS320LF2407A是一款高速数字信号处理芯片，芯片上集成了多种先进的外设，利用其EV事件管理模块中的全比较单元，可方便地产生 4路带有可变成死区和输出极性的PWM波。PWM波形的产生用到通用定时器（提供时间基准）、非对称波形发生器、可编程的死区发生单元、不对称波形发生单元、输出逻辑控制单元以及空间矢量PWM产生单元，适当设置比较单元的寄存器，可方便地生成所需要的PWM或SPWM波形。

产生PWM波形的总体思路如下：利用DSP的EVA模块，当定时器T1处于连续递增/递减计数模式时，计数寄存器（T1CNT）中的数值变化轨迹就形成了一系列等腰三角波，当比较寄存器（CMPRx，x=1，2，3）中的值与计数寄存器中的值相等时，对应的引脚（PWMx，x=1，2，3，4）上的电平就会产生跳变，从而产生一些列等高的方波信号。输出方波的宽度有比较寄存器中的值决定，因此只要使比较寄存器中的值是期望得到的稳定值（常数），即可得到所需的PWM波形。为保证死区时间，输出的PWM波形占空比最大不超过40%。

图3 控制电路原理图

控制电路原理如图3所示，PWM1信号用来驱动 DC/DC型调节器，使输出电压基本稳定在12 V，PWM2和PWM3信号用来驱动推挽式变换器开关管；输出电压采样信号与给定的直流电压信号进行比较，根据比较结果调整 PWM2和PWM3的占空比，使输出电压稳定于25 V；输出电流采样数据用来判别是否发生过流故障，温度采样数据用来判别是否发生过热故障，直流电压采样信号用来判别是否有过压和欠压故障；根据采样信号实施相应的保护。

设计的稳压电源中，高速光耦隔离电路采用三片TLP251集成驱动器，电流采样采用集成电流传感器UCC3926，温度采样采用低电压输出集成温度传感器TMP35[3]。电压、电流、温度采样信号经调理后输入DSP。

2.2.2 数字调节器设计

输出电压不仅要有精度高、纹波小，还要有良好的动态特性和稳态特性。采用PID控制中应用广泛的增量式算法设计了数字调节器。由于DSP仅能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，连续PID控制算法需要离散化，即数字PID调节器。采用离散PID算法时，表达式为：

式中：Kp,Ki,Kd分别为比例、积分和微分系数。

当采用离散PI算法时，表达式变为：

考虑到因日照强度变化或负载突变会引起输入或输出电压变化等因素，刚开始工作或负载突变时，采用PI算法调节，使输出电压尽快稳定在额定输出电压上，当输出电压达到额定值时采用PID算法，提高输出电压的稳定性。程序在积分调节阶段，可根据偏差大小对比例、积分系数调整，这样极大提高了输出电压的精度和稳定性[4]。

2.3 软件设计

主程序流程如图 4(a)所示，系统初始化后，首先对稳压蓄能电路的直流电压进行采样，与DSP内固化的数据比较，输出 DC/DC调节器的PWM 驱动信号，直到该直流电压达到设定值；然后对稳压电源的输出电压进行采样，与给定的参考值相比较输出开关管的PWM驱动信号，当输出电压达到25 V时，DSP锁定此时驱动信号占空比，进入闭环工作状态；当输出电压改变时，调整DSP的控制值，改变驱动信号占空比，使输出电压快速恢复至25 V[5]。同时通过对直流电压、输出电流、温度采样数据的处理，适时关断PWM驱动信号的输出，完成过压、欠压、过流及过热保护，提高电源可靠性。

生成PWM驱动信号的程序流程如图4(b)所示，其程序是一个无限循环结构，主要是计算比较寄存器的值，并根据该值生成PWM波。

图4 软件程序流程

3 实验数据和实验波形

根据设计要求确定稳压电源的主要参数如下：太阳能电池板输入直流电压12 V～35 V，变压器效率 95%，变压器磁芯选用 EI35×27×10,变压器初级线圈 12匝，初次级绕组匝比 0.4：1，变换器工作频率 28 kHz，驱动信号占空比25%～45%，输出滤波电感0.25 mH，滤波电容为300 μF，输出电压直流25 V，最大输出电流5 A。负载不同时输出电压及纹波峰峰值电压见表 1，空载和满载时驱动脉冲及输出电压波形见图5。

表1的测试结果表明，当电源由空载变换到满载时，电压的变换仅有0.14 V，而输出纹波电压的峰峰值最大仅有0.94 mV。同时当负载由1 A突变为5 A时，用示波器读出的输出电压稳定时间仅有0.2 s。图5表明，电源在空载和满载时，输出电压都能稳定在25 V，开关管驱动信号的占空比也小于45%，完全达到了设计要求。