Buck電路數(shù)字控制設(shè)計

Ｂｕｃｋ電路數(shù)字控制設(shè)計[摘要]數(shù)字控制逐漸和電力電子應(yīng)用緊密結(jié)合。文中針對Buck型電路建立了單電壓環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型，基于Atmel公司的8位AVR芯片ATmega8的高性能以及適合電源管理的特性，給出了詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計和控制參數(shù)，并用matlab進(jìn)行了仿真驗證。[關(guān)鍵詞]數(shù)字控制Atmega8buckmatlab/Simulink引言隨著電路集成技術(shù)的提高，各種單片微處理器性能已經(jīng)可以達(dá)到實時控制的要求；而且數(shù)字控制電路具有高性價比、高兼容性的特點，滿足環(huán)保、智能化的要求，功能擴展方便。本文基于Buck降壓電路，針對Atmel公司的8位AVR芯片ATmega8的高性能以及適合電源管理的特性，著重研究了Buck電路的數(shù)字控制方法與原理。一、Buck型降壓電路的設(shè)計Buck電路是應(yīng)用很廣泛的降壓電路，主電路由不受控整流管、電感、開關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)由開關(guān)管的通斷實現(xiàn)對輸入電壓的斬波；輸出側(cè)有電感、電容組成二階濾波網(wǎng)絡(luò)，可以減小輸出電壓、電流紋波。圖1是Buck電路的工作原理方框圖。設(shè)定開關(guān)頻率fs=100KHz，輸入電壓vi在20V~9V之間波動，額定值為12V，輸出電壓Vo為5V，額定負(fù)載電流6A。5.5V為過壓保護點，4.2V定為欠壓保護點。選擇濾波電感L為39.4uH，輸出濾波電容C為820uH，其等效串聯(lián)電阻Esr為0.036，輸出端電壓紋波峰峰值0.036V。二、基于ATmega8的Buck電路控制方案1.ATmega8的特性簡介ATmega8是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，并且在軟件上有效支持C高級語言及匯編語言。ATmega8工作電壓4.5V—5.5V，工作頻率0MHz-16MHz，有著8路10位逐次比較的ADC，三通道PWM以及適合電源管理控制的快速PWM工作模式，特有ADC噪聲抑制模式以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲。ADC的逐次比較轉(zhuǎn)換電路需要一個50kHz—200kHz之間采樣時鐘。一次常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換需要13個ADC時鐘周期，即最快65uS作為一個采樣周期?？紤]到A/D轉(zhuǎn)換速度較慢，對降壓電路環(huán)路控制采用單電壓環(huán)結(jié)構(gòu)。2.數(shù)字控制環(huán)路設(shè)計首先提出兩項常規(guī)的環(huán)路設(shè)計要求：在額定輸入和滿負(fù)載情形下相角裕度45°，速度誤差系數(shù)100。依據(jù)ADC穩(wěn)定工作的性能，選擇采樣頻率fsp為12.5KHz，即采樣周期為80us，穿越頻率選擇在500Hz。通常希望在系統(tǒng)開環(huán)截止頻率處，由零階保持器引入的相位遲后不大（5°—10°），這樣對原系統(tǒng)相位穩(wěn)定裕度影響不會太大。由此確定采樣周期。三、數(shù)字控制系統(tǒng)編程實現(xiàn)整個數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖包括幾個獨立的功能模塊：初始化模塊、PI算法模塊、軟啟動算法模塊、占空比限值模塊、中斷程序模塊，控制、連接這些功能模塊，就構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。這種模塊式的軟件設(shè)計使得程序清晰、簡潔。系統(tǒng)初始化工作是程序運行所必須的步驟。主程序完成系統(tǒng)的軟起動、電壓電流保護子程序。中斷程序完成采樣輸出、環(huán)路計算得到下一個開關(guān)周期的輸出占空比。首先為中斷現(xiàn)場保護，保存累加器、狀態(tài)寄存器等；再讀取AD寄存器得到采樣信號值，計算輸出占空比；程序在每一個中斷周期內(nèi)實時判斷輸出電壓信號的過壓、欠壓情況，即時進(jìn)行保護；最后為現(xiàn)場恢復(fù)和返回。結(jié)束語本文設(shè)計的數(shù)字控制Buck電路可以與傳統(tǒng)模擬控制芯片的控制效果相當(dāng)，證明了數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能。這說明數(shù)字控制在高頻開關(guān)電源控制領(lǐng)域也有著十分廣闊的應(yīng)用前景