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1、高效恒流恒压源摘要：本系统是以MSP430F449运算控制核心的输入直流24V，输出直流电流02A，输出直流电压515V的恒流恒压源。系统以Buck型DC-DC电路为依托，采用脉宽调制技术（PWM），以FPGA作为PWM波形发生器，通过控制开关管的导通来达到电压转换输出的目的。利用PID控制算法，使得数控恒压恒流得以快速、精准的实现。具有较小的电压调整率和负载调整率，人机交互界面友好，较好的完成了要求的一系列指标。关键词：buck型降压、PID算法、PWM控制一、 方案论证与选择（1）系统的总体框架图DC-DC变换负载电流、电压的测量单片机MSP430控制显示及按键UIN控制图1（2）DC-D
2、C电路方案的比较与选择根据题目方框图可知系统核心部分为DC-DC变换器，目前比较成熟的拓扑结构可分为隔离型和非隔离型。虽然隔离型电路由于变压器的使用使得输入输出具有完全隔离的特点，但是对变压器的要求会比较高，一般自制的普通变压器不能够满足题目中要求的功率输出，且本题供电电压比较安全，已经与市电隔离，所以选择非隔离型。 非隔离型电路中不使用变压器，主要包括Boost升压型、Buck降压型、逆向变换Buck-Boost电路、升/降压斩波Cuk电路。 图2 Boost 升压电路 图3 Buck降压型图4 Boost-Buck 电路 图5 Cuk电路1) Boost升压电路。其电路拓扑结构如图5。电路
3、的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui+UL，因而有升压作用。2) Buck降压型电路，其电路拓扑结构如图6。在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。3)Buck-Boost电路，拓扑结构如图7。S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。所以， L是用于传输能量的器件，容易发生磁芯饱和等现象。4）Cuk电路，拓扑结构如图8。当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，
4、Ui+EL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。 最终方案选择：由于题目的要求所以非隔离型电路中Boost升压电路不能够使用。Buck电路构造简单，调试方便，且计算方便，所以最终方案选择使用非隔离型Buck电路作为系统的DC-DC变换主拓扑结构。 为了进一步提高效率，使用另一个开关元件替代二极管，形成推挽式Buck型降压电路，因为二级管的损耗一般大于开关管。最终方案的DC-DC电路图如下图6 Buck电路（3）测量方案电压的取样采用电阻分压降。该方法简便易行，要求电阻的稳定性都非常高。阻
5、值太小,则电流的测量误差增大，而且损耗增加。阻值太大，则使电压测量不稳。 电流的的采样使用的是串小电阻测电压的方式。相比于霍尔法测电流、光耦合测电流等，该方法简便易行，只需根据精度和损耗选择合适的阻值即可，产生的小电压用精密运放放大到合适的A/D采样电压。 取样电路图可见图7 （4）控制方案Buck电路中，MOSFET的开通与关断采用PWM波控制。产生PWM波的方案有：方案一：采用开关电源控制芯片产生PWM脉冲。此方案产生的PWM波形控制简单，通过直流电压量与锯齿波比较生成所需PWM波形,但不能使单片机方便的实现占空比的任意调整，中间需加D/A，电路比较复杂，增加了损耗。方案二：采用FPGA产
6、生PWM脉冲。由于FPGA的工作时钟频率高，由它产生的PWM信号占空比的最小变化量较小。方案三：单片机产生PWM信号。通过改变单片机定时器的初值来改变PWM信号的占空比，此方法简单易行，但由于单片机最高工作频率有限，不易实现PWM信号占空比的微小变化。由于电压调整量应小于两倍的纹波电压，二纹波电压一般为输出电压的1%，因此需要较小的PWM信号占空比调整量，同时考虑电路的简便性，故采用方案二。考虑到方案一控制不灵活,我们采用方案二来产生占空比任意可调的PWM脉冲恒压/恒流模式的转换：恒压时是根据采样的电压与设置的电压比较来改变占空比，电流则用作过流保护判断。恒流时是根据采样的电流与设置的电流比较
7、来改变占空比，电压则用作过压保护判断过流过压保护：方案一：采用继电器。通过继电器将电网中的工频电引到整流桥输入端，当检测到故障时，即控制继电器动作断开系统的电源。方案二：采用FPGA进行保护。当电压、电流达到故障指标时，即由FPGA反应，控制系统的功率输出为零，以此保护系统电路和元件。方案一中继电器本身的动作时间会带来保护效果实时性不好的问题，且不及方案二中控制简单，故选择方案二。二、 理论分析与计算1) 控制及精度分析Buck型降压电路的理论公式为：UO=D*UIND为控制开关管1的PMWD的占空比。恒压模式时，电压精度要求为0.1%，则占空比最小改变量必须小于（5*0.2%）/28=1/2
8、800。恒流模式时电流的精度为1mA，占空比最小该变量小于（5*2*）/1000/28=1/2800,由于本设计采用FPGA控制占空比输出的模式，所以开关管的频率受到FPGA时钟的影响。为了达到精度，我们的最小可改占空比希望达到小于1/5000，即需要采用5000个占空比控制字。由于FPGA的时钟频率为100MHz，则开关管的开关频率为f=fFPGA/5000=20K本设计采用N沟道MOS管IRF540。其驱动电压为5V，导通电阻为0.05欧，最大开关速度可达到1M。选取该类型号MOS管作为开关管。2)测量及精度分析电压测量分辨率1mV/15V=1/15000，则AD的位数必须大于等于14位，
9、电流测量分辨率为1mA，1mA/1.5A=1/1500,AD的位数需大于等于12位，综上，本设计选择的AD为4 通道串行输出 16 位 500kSPS 的ADS8361测电流所用的小电阻本设计选择阻值比较稳定的康铜丝，当康铜丝的阻值很小时，对电路的影响就越小，但同时它也越难被检测到。经验值表明电阻值为25m左右时，最大产生压降仅为50mV，对电路的影响非常小，且放大器能够对其进行放大。故我们采用阻值为25m左右的康铜丝。由于采用16位的A/D转换芯片ADS8361，因AD的基准电压本设计选择的是3.3V,则AD转换的电压范围是03.3V，故小信号放大电路先将信号放大到03.3V范围内，所以选择
10、INA282精密运放将小信号放大50倍。 三、 电路的设计1)DC-DC主体电路图（1）2）驱动控制电路3）电压电流测量电路四、 程序的设计该题目的软件部分是基于TI公司的单片机MSP430F6638和FPGA芯片EP2C5T144C8实现的。其中，FPGA负责进行数据采集、预处理，然后根据430传回的数据输出PWM；430负责数据运算、控制，并通过外围设备以达到人机交互的目的。具体过程如下图所示：FPGADATAPWMMSP430KEYLCDDATA五、 测量结果及评估1、测试仪器DT9205A 3位半万用表一个，FLUCK 四位半万用表一个，大功率可调电阻负载，Tektronix TDS1002 60MHz示波器， SG1733SB3A直流稳压稳流电源。2、测量结果恒压模式：表一 预设值与实际值对比表预设电压/V30313233343536显示电压/V30.0531.0432.0533.0334.0535.0136.04实测电压/V电压测量精度=电压输出精度=恒流模式：表一 预设值与实际值对比表预设电流/A30313233343536显示电流/A30.0531.0432.0533.0334.0535.0136.04实测电流/A电流测量精度=电流输出精度=在Ui=24V，Uo=15V，Io=2A时的效率：=
