基于微控制器的全数字双向DC/DC变换器的研制

摘要：提出了一种新颖的双向DC／DC变换器。该变换嚣采用全数字控制，并应用同步整流技术，使得整个设计具有高效率、高控制性能、能量可双向流动等特点。该变换器的控制核心为PHILIPS公司出品的基于ARM7内核的LPC2119微控制器。介绍了系统的基本构成，分析了电路的工作原理和主要元器件的选取方法，并给出了最终的实验结果。
关键词：数字控制；DC／DC变换器；脉宽调制；同步整流

O 引言

为了实现直流能量的双向传输，双向DC/DC变换器被广泛应用于UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电维护等场合。
在这些应用当中，很多时候都要求开关电源不仅能够控制能量的双向流动，还要能够实现低压、大电流的输出。在开关频率不太高的情况下，随着输出电压的降低、输出电流的增加，整流损耗就成了影响开关电源效率的主要冈素。因此，为了提高开关电源的效率，就必须设法降低整流损耗。而在本文中采用的同步整流技术就是一种降低整流损耗的有效手段。
在以往的电源设计当中，模拟控制技术因其动态响应快、无量化误差、价格低廉等优点而被广泛应崩；而数字控制技术则由于其成本和技术等方面的因素而较少得到应用。近年来，随着半导体技术的不断发展，数字微控制器的成本显著降低，性能不断提高，这就使得高频开关电源的全数字化成为可能。由于数字控制具有能够简化系统硬件没计、减少分立元件的数量、改善系统可靠性等诸多优点，因此它必将在今后的开关电源设计中得到越来越广泛的应用。

l 系统介绍

1．1 系统基本说明
系统的整体构成如图1所示。图1中虚线内为系统的控制部分。其余为主电路部分。主电路的工作原理将在后面详细分析。

在系统的控制电路中，其核心处理器是PHILIPS(飞利浦)公司出品的基于ARM7内核的LPC2119微控制器。LPC2119具有高性能、低成本、低功耗等诸多优点，很适合应用于对成本和性能都有严格要求的工业控制领域。负责A／D转换的是24位高精度的A/D转换器CS5460A，它同样具有低成本、高性能的特点，以往在各类产品中有着广泛的应用。
控制电路工作时，CS5460A在获得系统输出电压、电流量的模拟信号后，将它们转变为数字量，并通过专用总线传给LPC2119。LPC2119得到这些信息以后先对其进行数字滤波等软件处理，然后再将其作为反馈量，用于控制算法的运算，得到控制量及其相应的驱动信号．最终控制主电路开关管的动作。

1．2 双向DC／DC全数字控制的软件实现

如前所述，出于简化控制电路结构、增加系统可靠性等方面的考虑，系统采用以ARM芯片LPC2119为控制系统核心的全数字化设计。要实现我们期望的控制功能，除了在上面介绍的基本控制电路外，完善、可靠的控制软件和恰当的控制策略也都是不可或缺的。
在控制软件方面，笔者本着层次分明、时序分级、全局考虑、书写规范的设计总则进行了系统控制软件的开发。根据电力电子软件的实际需要，程序整体上分为3个层次，分别是主控层、算法层和接口层。其中接口层为底层，主控层为顶层，算法层起到连接主控层和接口层的中间桥梁作用。具体来说，主控层不涉及具体的操作，只负责各个任务的调度，中断的安排，时间和优先级的处理等。主控层有一个文件，包括main函数和中断函数。在main函数和中断函数中调用算法层的函数来实现系统的功能。而算法层则负责具体任务的执行，控制算法的实现，系统的主要功能全都在算法层中体现。接口层负责与硬件的接口，所有跟外设有关的操作都在该层进行处理。
在控制策略方面，本文选择了增量式数字PI算法。增量式PI算法的主要优点为
(1)增量式算法不用做累加，控制量的确定仅与最近几次误差采样值有关，即其误差不累积。
(2)其每次输出的是控制量的增量，误动作影响小。
在PI算法中，比例部分能够改善系统的动态性能，而积分部分则能够减小系统的稳态误差，理论上可实现无静差的输出。离散化后的数字PI算法表达式为

式中：KP为比例系数；
K1为积分系数；
e(k)为本次误差；
u(k)为本次控制量输出。
由式(1)递推可以得到

式(1)减去式(2)可得到增量式数字PI控制算法的表达式如下：

式(3)中的△u(k)即为数字调节器输出的控制量的增量。所以，控制算法最终输出的控制量为：