2008綠色電源暨第五屆模塊電源與電源管理技術專題研討會
時間:2008年4月2日
地點:北京展覽館6號館
本次會議不收取任何聽眾任何費用,需提前網(wǎng)站報名登記.
http://www.eaw.com.cn/2008h/
研討會日程
09:30-10:15
將新一代高效節(jié)能電源技術用于家電設計 東莞益衡電子公司技術總監(jiān) 李龍文
10:15-11:00
Adaptive voltage scaling solution for portable application
美國國家半導體 Jerry Han, Power Product Application Engineer
11:00-11:45
多節(jié)鋰電池保護方案
精工電子有限公司 應用工程師 張煒
11:45-13:00
午餐
13:00-13:45
開關電源中的電解電容器
中國電源學會常務理事 陳永真
13:45-14:30
The technology and trend of Power management IC for Ultra Mobile Devices (UMPC&MID)
富士通微電子應用工程師 陳永康
14:30-15:15
手機LCD背光LED驅(qū)動技術探討
資深專家 顏重光
15:15-16:00
設計固定導通時間控制器優(yōu)化輕載效率
安森美半導體中國市場推廣經(jīng)理 于輝
16:00-16:20
電源頒獎典禮 抽獎,發(fā)放紀念品
報名網(wǎng)址:http://www.eaw.com.cn/2008h/
模塊電源與電源管理技術專題研討會(04年講稿下載)
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@eepwwang
自己頂自己!希望大家能參加我們的研討會!奉獻大家電源專業(yè)文章.都是有版權的原創(chuàng)文章,決非盜版.版權所有請勿轉(zhuǎn)載!!僅供大家學習參考!!若大家覺得有益,請幫忙頂.我會每天上傳2篇文章,堅持2個月(節(jié)假日有休息!:P)
文章之一
基于SG3525A的太陽能逆變電源設計
作者:■北京無線電技術研究所 徐東生
摘 要:本文主要介紹了SG3525A在研制太陽能逆變電源中的應用,其脈沖波形隨設計線路的不同而產(chǎn)生不同的結果,從而解決了隨機燒毀功率管的技術問題.
關鍵詞:SG3525A;逆變電源;MOSFET-90N10
引言
本文涉及的是光明工程中一個課題的具體技術問題.該課題的基本原理是逆變器由直流蓄電池供電,用太陽能為蓄電池充電,然后逆變電源輸出220V、50Hz的交流電供用戶使用.在研制過程中,有時隨機出現(xiàn)燒毀大功率管的現(xiàn)象,本文對這一現(xiàn)象給出了解決方案.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300917.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖1 SG3525A驅(qū)動MOS功率管電路圖
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300940.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖2 逆變器工作過程中波形圖
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(a)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300973.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
(b)
圖3 (A)逆變器緩啟動(B)逆變器硬啟動
SG3525A和逆變電源
本課題研發(fā)的逆變器使用的核心器件是SG3525A,以下分別簡述其基本性能和工作過程.
SG3525A基本性能
SG3525A PWM型開關電源集成控制器包括開關穩(wěn)壓所需的全部控制電路,設有欠壓鎖定電路和緩啟動電路可提供精密度為5V±1%的基準電壓.其開關頻率高達200KHz以上,適合于驅(qū)動N溝道MOS功率管.本課題使用SG3525A產(chǎn)生50Hz的準正弦方波,為逆變器提供輸出功率信號,去推動N溝道MOS功率管90N08,如圖1所示.
逆變器工作過程
當SG3525A被加電后(12V)會輸出兩列50Hz反向的方波,其幅度為9V.這兩路方波分別進入G1、G2、G3、G4所示的四條支路(圖1),經(jīng)各電路分別調(diào)整后輸出,輸出脈沖序列如圖2(B)所示.最終調(diào)制合成為A、B兩端輸出的交流方波.其波形見圖2(A).該50Hz的序列方波由A、B兩端進入電力變壓器DT.通過變壓器升壓后由逆變器電源輸出220V、50Hz交流方波.根據(jù)市場的不同需求生產(chǎn)出200W、600W、800W各個系列的逆變電源.
問題的出現(xiàn)與解決
逆變器在額定負載條件下能夠長期運行,但是當進行負載切換時或者當外電路有嚴重擾動時,偶爾會發(fā)生大功率管MOSFET90N08燒毀的現(xiàn)象.現(xiàn)以800W逆變器進行剖析.
緩啟動:如圖3(A)所示狀態(tài),同時滿負載加在逆變器輸出上,然后啟動逆變器使之運行,一切正常工作.
硬啟動:如圖3(B)所示狀態(tài),即加滿負載后再閉合開關K1強行硬啟動.這時就偶爾有大功率場效應管短路燒毀的現(xiàn)象發(fā)生,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當G3推動的大功率管TV3尚未完全關斷時,G4開啟了對應的大功率管TV4,如果TV3和TV4同時開通就會造成短路現(xiàn)象.此時就會燒毀大功率管.而當D點和C點、E點和F點進行相互交換后兩個管子開啟的時間差為100ms左右,這樣就保證了G3和G4的推動信號不會同一時刻開啟VT3、VT4,從而避免了短路現(xiàn)象.直到目前尚未發(fā)生因硬啟動和外電路干擾而燒毀大功率管的現(xiàn)象.■
參考文獻
1 王劍英,常敏慧編著. 新型開關電源技術. 北京: 電子工業(yè)出版社.2001.7
2 張占松,蔡宣三編著. 開關電源的原理與設計. 北京:電子工業(yè)出版社.2000.3
基于SG3525A的太陽能逆變電源設計
作者:■北京無線電技術研究所 徐東生
摘 要:本文主要介紹了SG3525A在研制太陽能逆變電源中的應用,其脈沖波形隨設計線路的不同而產(chǎn)生不同的結果,從而解決了隨機燒毀功率管的技術問題.
關鍵詞:SG3525A;逆變電源;MOSFET-90N10
引言
本文涉及的是光明工程中一個課題的具體技術問題.該課題的基本原理是逆變器由直流蓄電池供電,用太陽能為蓄電池充電,然后逆變電源輸出220V、50Hz的交流電供用戶使用.在研制過程中,有時隨機出現(xiàn)燒毀大功率管的現(xiàn)象,本文對這一現(xiàn)象給出了解決方案.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300917.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖1 SG3525A驅(qū)動MOS功率管電路圖
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300940.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖2 逆變器工作過程中波形圖
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300954.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
(a)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300973.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
(b)
圖3 (A)逆變器緩啟動(B)逆變器硬啟動
SG3525A和逆變電源
本課題研發(fā)的逆變器使用的核心器件是SG3525A,以下分別簡述其基本性能和工作過程.
SG3525A基本性能
SG3525A PWM型開關電源集成控制器包括開關穩(wěn)壓所需的全部控制電路,設有欠壓鎖定電路和緩啟動電路可提供精密度為5V±1%的基準電壓.其開關頻率高達200KHz以上,適合于驅(qū)動N溝道MOS功率管.本課題使用SG3525A產(chǎn)生50Hz的準正弦方波,為逆變器提供輸出功率信號,去推動N溝道MOS功率管90N08,如圖1所示.
逆變器工作過程
當SG3525A被加電后(12V)會輸出兩列50Hz反向的方波,其幅度為9V.這兩路方波分別進入G1、G2、G3、G4所示的四條支路(圖1),經(jīng)各電路分別調(diào)整后輸出,輸出脈沖序列如圖2(B)所示.最終調(diào)制合成為A、B兩端輸出的交流方波.其波形見圖2(A).該50Hz的序列方波由A、B兩端進入電力變壓器DT.通過變壓器升壓后由逆變器電源輸出220V、50Hz交流方波.根據(jù)市場的不同需求生產(chǎn)出200W、600W、800W各個系列的逆變電源.
問題的出現(xiàn)與解決
逆變器在額定負載條件下能夠長期運行,但是當進行負載切換時或者當外電路有嚴重擾動時,偶爾會發(fā)生大功率管MOSFET90N08燒毀的現(xiàn)象.現(xiàn)以800W逆變器進行剖析.
緩啟動:如圖3(A)所示狀態(tài),同時滿負載加在逆變器輸出上,然后啟動逆變器使之運行,一切正常工作.
硬啟動:如圖3(B)所示狀態(tài),即加滿負載后再閉合開關K1強行硬啟動.這時就偶爾有大功率場效應管短路燒毀的現(xiàn)象發(fā)生,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當G3推動的大功率管TV3尚未完全關斷時,G4開啟了對應的大功率管TV4,如果TV3和TV4同時開通就會造成短路現(xiàn)象.此時就會燒毀大功率管.而當D點和C點、E點和F點進行相互交換后兩個管子開啟的時間差為100ms左右,這樣就保證了G3和G4的推動信號不會同一時刻開啟VT3、VT4,從而避免了短路現(xiàn)象.直到目前尚未發(fā)生因硬啟動和外電路干擾而燒毀大功率管的現(xiàn)象.■
參考文獻
1 王劍英,常敏慧編著. 新型開關電源技術. 北京: 電子工業(yè)出版社.2001.7
2 張占松,蔡宣三編著. 開關電源的原理與設計. 北京:電子工業(yè)出版社.2000.3
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@eepwwang
文章之一基于SG3525A的太陽能逆變電源設計作者:■北京無線電技術研究所徐東生摘 要:本文主要介紹了SG3525A在研制太陽能逆變電源中的應用,其脈沖波形隨設計線路的不同而產(chǎn)生不同的結果,從而解決了隨機燒毀功率管的技術問題.關鍵詞:SG3525A;逆變電源;MOSFET-90N10引言本文涉及的是光明工程中一個課題的具體技術問題.該課題的基本原理是逆變器由直流蓄電池供電,用太陽能為蓄電池充電,然后逆變電源輸出220V、50Hz的交流電供用戶使用.在研制過程中,有時隨機出現(xiàn)燒毀大功率管的現(xiàn)象,本文對這一現(xiàn)象給出了解決方案.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300917.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖1 SG3525A驅(qū)動MOS功率管電路圖[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300940.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖2 逆變器工作過程中波形圖[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300954.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">(a)[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104300973.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">(b)圖3(A)逆變器緩啟動(B)逆變器硬啟動SG3525A和逆變電源本課題研發(fā)的逆變器使用的核心器件是SG3525A,以下分別簡述其基本性能和工作過程.SG3525A基本性能SG3525APWM型開關電源集成控制器包括開關穩(wěn)壓所需的全部控制電路,設有欠壓鎖定電路和緩啟動電路可提供精密度為5V±1%的基準電壓.其開關頻率高達200KHz以上,適合于驅(qū)動N溝道MOS功率管.本課題使用SG3525A產(chǎn)生50Hz的準正弦方波,為逆變器提供輸出功率信號,去推動N溝道MOS功率管90N08,如圖1所示.逆變器工作過程當SG3525A被加電后(12V)會輸出兩列50Hz反向的方波,其幅度為9V.這兩路方波分別進入G1、G2、G3、G4所示的四條支路(圖1),經(jīng)各電路分別調(diào)整后輸出,輸出脈沖序列如圖2(B)所示.最終調(diào)制合成為A、B兩端輸出的交流方波.其波形見圖2(A).該50Hz的序列方波由A、B兩端進入電力變壓器DT.通過變壓器升壓后由逆變器電源輸出220V、50Hz交流方波.根據(jù)市場的不同需求生產(chǎn)出200W、600W、800W各個系列的逆變電源.問題的出現(xiàn)與解決逆變器在額定負載條件下能夠長期運行,但是當進行負載切換時或者當外電路有嚴重擾動時,偶爾會發(fā)生大功率管MOSFET90N08燒毀的現(xiàn)象.現(xiàn)以800W逆變器進行剖析.緩啟動:如圖3(A)所示狀態(tài),同時滿負載加在逆變器輸出上,然后啟動逆變器使之運行,一切正常工作.硬啟動:如圖3(B)所示狀態(tài),即加滿負載后再閉合開關K1強行硬啟動.這時就偶爾有大功率場效應管短路燒毀的現(xiàn)象發(fā)生,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當G3推動的大功率管TV3尚未完全關斷時,G4開啟了對應的大功率管TV4,如果TV3和TV4同時開通就會造成短路現(xiàn)象.此時就會燒毀大功率管.而當D點和C點、E點和F點進行相互交換后兩個管子開啟的時間差為100ms左右,這樣就保證了G3和G4的推動信號不會同一時刻開啟VT3、VT4,從而避免了短路現(xiàn)象.直到目前尚未發(fā)生因硬啟動和外電路干擾而燒毀大功率管的現(xiàn)象.■參考文獻1王劍英,常敏慧編著.新型開關電源技術.北京:電子工業(yè)出版社.2001.72張占松,蔡宣三編著.開關電源的原理與設計.北京:電子工業(yè)出版社.2000.3
文章之二
采用自適應算法進行便攜式電池電量的計量
作者:■ 德州儀器公司 Yevgen Barsukov Bernd Krafth fer
引言
隨著便攜式應用的數(shù)量不斷增加,用戶將要完成更多的關鍵業(yè)務.這時整個工作時間內(nèi)系統(tǒng)必須持續(xù)工作,不能失去數(shù)據(jù)的完整性.但是對電池來講,要預計剩余的電量還能維持的系統(tǒng)運行時間非常困難.本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量信息的重要性.遺憾的是,目前無法通過測量數(shù)據(jù)點甚至電池電壓來進行上述計算.溫度、放電速率以及電池老化等因素都會影響電荷狀態(tài) (SOC).本文將集中討論一種剛獲得專利的新技術,它可幫助設計人員預計電荷狀態(tài)SOC以及鋰電池的剩余電量.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301169.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
(a)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301178.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
(b)
圖 1 鋰離子電池在 (a) 完全充電狀態(tài)和 (b) 放電狀態(tài)下施加 1/3C
額定負載后的電壓降以及電壓張弛
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301192.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖2 根據(jù)基于實時更新電池阻抗的電量
監(jiān)測計算法預測的電壓圖與隨后在典型筆記本電腦負載下測量的實驗數(shù)據(jù)的比較.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301202.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
現(xiàn)有電池電量的監(jiān)測方法
目前一般采用兩種方法監(jiān)測電池電量.一種以電流積分為基礎,而另一種以電壓測量為基礎.第一種方法基于的觀念是:如果將所有電池充電和放電電流積分的話,那么就能知道還剩下多少電能.如果電池剛剛充電而且已知是充分充電,那么積分電流的做法非常有效.這種方法,對目前大多數(shù)電池電量監(jiān)測都很有效,不過它也有問題,特別是被測電池長期不工作時.如果電池充電后幾天不用,或幾個充電和放電周期中一直未充分充放電,那么內(nèi)部化學反應造成的自放電就會非常明顯.由于自放電無法測量,因此必須用預定的方程式對其進行校正.由于不同電池模型有著不同的自放電速度,而且取決于電池SOC、溫度以及充放電循環(huán)的歷史記錄,自放電的精確建模需要花大量時間收集數(shù)據(jù),而且總是不很精確.此外,只有在完全充電后馬上完全放電,才能更新總電量值.如果電池壽命中完全放電情況不多,那么在電量監(jiān)測計更新數(shù)值前電池的實際電量可能大幅降低,這就導致對可用電量的過高估計.即使電量對給定溫度與放電速度進行更新,可用電量也會隨放電速度和溫度而變動.
對于第二種方法,只需要測量電池電極間的電壓.它建立在電池電壓與剩余電量之間的已知相互關系基礎之上,似乎相當直接,但只有在測試過程中不施加負載的情況下,電池電壓與電量之間才是這種簡單關系.當施加負載時,電池電壓就會因電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生的電壓降而發(fā)生失真.
電池化學反應與相應的
電壓變化
復雜的電子化學反應會造成電池瞬態(tài)電壓的響應.電荷必須通過多層存儲能量的電子化學活性材料(正負極)傳輸,首先以電子形式到達粒子表面,隨后在電解液中變?yōu)殡x子形式.上述化學步驟與電池電壓響應的時間常量相關.在施加負載后,電壓以不同的速率隨時間推移逐漸降低,但去掉負載后則逐漸增大.圖1顯示了在不同SOC下向鋰離子電池施加負載時的電壓張弛 (relaxation).
造成基于電壓的電量監(jiān)測
誤差的原因
假定通過減去IR壓降來校正帶負載的電壓,隨后用校正電壓獲得當前的SOC.這樣遇到的第一個問題就是 R 取決于 SOC.如果使用平均值,那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下帶來的 SOC 估計誤差將高達 100%,此時的阻抗比完全充電后的狀態(tài)高出 10 倍.解決方案之一就是根據(jù) SOC 在不同負載下使用多維電壓表.阻抗很大程度上取決于溫度,溫度每下降 10℃,它就上升約 1.5倍,這種相互關系也應加入上述電壓表,然而這就使得計算相當復雜.
電池電壓響應是內(nèi)在瞬時的,這是因為有效 R 取決于負載應用的時間.如果將內(nèi)部阻抗看作簡單歐姆電阻而不考慮時間負載變化情況,那么即使根據(jù)電壓表考慮到 R和SOC的相關性也會導致巨大的誤差.由于SOC (V)函數(shù)斜率取決于SOC,因此瞬時誤差可從放電狀態(tài)的0.5%直到中等充電狀態(tài)的 14% 不等.
不同電池間的阻抗變化也會進一步使問題復雜化.即使新生產(chǎn)的電池也會存在 +/-15% 的低頻 DC 阻抗變化.這對高負載的電壓校正就會產(chǎn)生很大的影響.
有關阻抗問題可能在電池老化時最嚴重.典型的鋰離子電池在70個使用循環(huán)后DC阻抗翻番,而相同周期的無負載電量僅下降2~3個百分點.基于電壓的算法似乎對新電池組很適用,但如果不考慮這一因素,那么在電池組只達到使用壽命的15%(估計約500個使用循環(huán))時就會造成嚴重的誤差(50%).
使用兩種方法的最佳之處
在開發(fā)新一代電量監(jiān)測計使用的算法時,TI 考慮到能否將基于電流和基于電壓的兩種方法相結合,在不同的時候使用相應的方法,這種想法看起來顯而易見,但至今還沒人試過.由于開路電壓與 SOC 間存在精確的相關性,因此不施加負載且電池處于張弛狀態(tài)時,上述方法可實現(xiàn)精確的 SOC 估算.由于任何電池供電的設備都有不工作時期,上述方法使得有機會利用不工作時期,找到電荷狀態(tài)的確切起始位置.由于設備接通時可以知道精確的SOC,因此在不工作時期就不再需要自放電校正.當設備進入工作狀態(tài)且給電池施加負載時,則采用電流積分.由于庫侖計數(shù)(coulomb-counting)從運行之初就跟蹤SOC的變化,因此無需對負載下的電壓降進行復雜而且不精確的補償.
此外,還可用此方法來更新完全充電的電量.依靠施加負載前的SOC百分比信息、施加負載后的SOC信息(均在張弛狀態(tài)下通過電壓測量獲得)以及二者之間傳輸?shù)碾姾闪?設計人員很容易在已知電荷變化的情況下確定對應于SOC改變的總電量.不管傳輸電量多大,不管起始條件如何,都可實現(xiàn)這一點(不用完全充電),這就不再需要特殊條件來更新電量,從而免去了電流積分算法的又一弱點.
以上方法不僅解決了SOC問題并完全避免了電池阻抗的影響,而且還可以用來實現(xiàn)其它目的.可以用該方法更新總電量,對應于最大可能電量等可提取的“無負載”情況.但這時非零負載電量會較小,這是由于IR下降使得端接電壓在有負載時達到得更早.如果已知SOC的阻抗關系式以及溫度,則通過簡單建模就可確定在該電流負載和溫度下何時可達到端接電壓.但是,阻抗取決于電池,并會隨電池老化和使用循環(huán)的增加而迅速增加,將其存儲于數(shù)據(jù)庫中用處不大.為了解決該問題,TI 的 IC 實現(xiàn)了實時阻抗測量,保持數(shù)據(jù)庫持續(xù)更新,這樣就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問題.全壽命的阻抗數(shù)據(jù)更新可非常精確地預測給定負載的電壓變化(見圖 2).以上方法可以使得在大多數(shù)情況下,可用電量估算誤差率低于 1%.最重要的是,在電池組整個壽命內(nèi)都實現(xiàn)了高精確度.
自適應算法的優(yōu)勢
——即插即用的實施
通過實施上述算法就不再需要事先提供數(shù)據(jù)庫來描述阻抗與 SOC 和溫度的關系,不過仍然需要定義開路電壓和 SOC(包括溫度)之間關系的數(shù)據(jù)庫.但是,這方面的關系由正負極系統(tǒng)的化學性質(zhì)決定,而不是由具體的電池型號設計因素(如電解液、分離器、活性材料厚度等)決定.由于大多數(shù)電池制造商使用相同的化學材料做活性材料(LiCoO2 與石墨),因此它們的 V(SOC,T) 關系式也基本相同.TI對不同制造商所提供電池的無負載電壓圖進行了比較,實驗結果支持上述表述.較大的偏差也只不過 5mV 而已,這就實現(xiàn)了在最差情況下 SOC 誤差率也不過 1.5%.上述新算法將實現(xiàn)電池監(jiān)視器 IC的即插即用,同時還可提高其精確度及可靠性.■
采用自適應算法進行便攜式電池電量的計量
作者:■ 德州儀器公司 Yevgen Barsukov Bernd Krafth fer
引言
隨著便攜式應用的數(shù)量不斷增加,用戶將要完成更多的關鍵業(yè)務.這時整個工作時間內(nèi)系統(tǒng)必須持續(xù)工作,不能失去數(shù)據(jù)的完整性.但是對電池來講,要預計剩余的電量還能維持的系統(tǒng)運行時間非常困難.本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量信息的重要性.遺憾的是,目前無法通過測量數(shù)據(jù)點甚至電池電壓來進行上述計算.溫度、放電速率以及電池老化等因素都會影響電荷狀態(tài) (SOC).本文將集中討論一種剛獲得專利的新技術,它可幫助設計人員預計電荷狀態(tài)SOC以及鋰電池的剩余電量.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301169.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
(a)
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(b)
圖 1 鋰離子電池在 (a) 完全充電狀態(tài)和 (b) 放電狀態(tài)下施加 1/3C
額定負載后的電壓降以及電壓張弛
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301192.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
圖2 根據(jù)基于實時更新電池阻抗的電量
監(jiān)測計算法預測的電壓圖與隨后在典型筆記本電腦負載下測量的實驗數(shù)據(jù)的比較.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301202.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
現(xiàn)有電池電量的監(jiān)測方法
目前一般采用兩種方法監(jiān)測電池電量.一種以電流積分為基礎,而另一種以電壓測量為基礎.第一種方法基于的觀念是:如果將所有電池充電和放電電流積分的話,那么就能知道還剩下多少電能.如果電池剛剛充電而且已知是充分充電,那么積分電流的做法非常有效.這種方法,對目前大多數(shù)電池電量監(jiān)測都很有效,不過它也有問題,特別是被測電池長期不工作時.如果電池充電后幾天不用,或幾個充電和放電周期中一直未充分充放電,那么內(nèi)部化學反應造成的自放電就會非常明顯.由于自放電無法測量,因此必須用預定的方程式對其進行校正.由于不同電池模型有著不同的自放電速度,而且取決于電池SOC、溫度以及充放電循環(huán)的歷史記錄,自放電的精確建模需要花大量時間收集數(shù)據(jù),而且總是不很精確.此外,只有在完全充電后馬上完全放電,才能更新總電量值.如果電池壽命中完全放電情況不多,那么在電量監(jiān)測計更新數(shù)值前電池的實際電量可能大幅降低,這就導致對可用電量的過高估計.即使電量對給定溫度與放電速度進行更新,可用電量也會隨放電速度和溫度而變動.
對于第二種方法,只需要測量電池電極間的電壓.它建立在電池電壓與剩余電量之間的已知相互關系基礎之上,似乎相當直接,但只有在測試過程中不施加負載的情況下,電池電壓與電量之間才是這種簡單關系.當施加負載時,電池電壓就會因電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生的電壓降而發(fā)生失真.
電池化學反應與相應的
電壓變化
復雜的電子化學反應會造成電池瞬態(tài)電壓的響應.電荷必須通過多層存儲能量的電子化學活性材料(正負極)傳輸,首先以電子形式到達粒子表面,隨后在電解液中變?yōu)殡x子形式.上述化學步驟與電池電壓響應的時間常量相關.在施加負載后,電壓以不同的速率隨時間推移逐漸降低,但去掉負載后則逐漸增大.圖1顯示了在不同SOC下向鋰離子電池施加負載時的電壓張弛 (relaxation).
造成基于電壓的電量監(jiān)測
誤差的原因
假定通過減去IR壓降來校正帶負載的電壓,隨后用校正電壓獲得當前的SOC.這樣遇到的第一個問題就是 R 取決于 SOC.如果使用平均值,那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下帶來的 SOC 估計誤差將高達 100%,此時的阻抗比完全充電后的狀態(tài)高出 10 倍.解決方案之一就是根據(jù) SOC 在不同負載下使用多維電壓表.阻抗很大程度上取決于溫度,溫度每下降 10℃,它就上升約 1.5倍,這種相互關系也應加入上述電壓表,然而這就使得計算相當復雜.
電池電壓響應是內(nèi)在瞬時的,這是因為有效 R 取決于負載應用的時間.如果將內(nèi)部阻抗看作簡單歐姆電阻而不考慮時間負載變化情況,那么即使根據(jù)電壓表考慮到 R和SOC的相關性也會導致巨大的誤差.由于SOC (V)函數(shù)斜率取決于SOC,因此瞬時誤差可從放電狀態(tài)的0.5%直到中等充電狀態(tài)的 14% 不等.
不同電池間的阻抗變化也會進一步使問題復雜化.即使新生產(chǎn)的電池也會存在 +/-15% 的低頻 DC 阻抗變化.這對高負載的電壓校正就會產(chǎn)生很大的影響.
有關阻抗問題可能在電池老化時最嚴重.典型的鋰離子電池在70個使用循環(huán)后DC阻抗翻番,而相同周期的無負載電量僅下降2~3個百分點.基于電壓的算法似乎對新電池組很適用,但如果不考慮這一因素,那么在電池組只達到使用壽命的15%(估計約500個使用循環(huán))時就會造成嚴重的誤差(50%).
使用兩種方法的最佳之處
在開發(fā)新一代電量監(jiān)測計使用的算法時,TI 考慮到能否將基于電流和基于電壓的兩種方法相結合,在不同的時候使用相應的方法,這種想法看起來顯而易見,但至今還沒人試過.由于開路電壓與 SOC 間存在精確的相關性,因此不施加負載且電池處于張弛狀態(tài)時,上述方法可實現(xiàn)精確的 SOC 估算.由于任何電池供電的設備都有不工作時期,上述方法使得有機會利用不工作時期,找到電荷狀態(tài)的確切起始位置.由于設備接通時可以知道精確的SOC,因此在不工作時期就不再需要自放電校正.當設備進入工作狀態(tài)且給電池施加負載時,則采用電流積分.由于庫侖計數(shù)(coulomb-counting)從運行之初就跟蹤SOC的變化,因此無需對負載下的電壓降進行復雜而且不精確的補償.
此外,還可用此方法來更新完全充電的電量.依靠施加負載前的SOC百分比信息、施加負載后的SOC信息(均在張弛狀態(tài)下通過電壓測量獲得)以及二者之間傳輸?shù)碾姾闪?設計人員很容易在已知電荷變化的情況下確定對應于SOC改變的總電量.不管傳輸電量多大,不管起始條件如何,都可實現(xiàn)這一點(不用完全充電),這就不再需要特殊條件來更新電量,從而免去了電流積分算法的又一弱點.
以上方法不僅解決了SOC問題并完全避免了電池阻抗的影響,而且還可以用來實現(xiàn)其它目的.可以用該方法更新總電量,對應于最大可能電量等可提取的“無負載”情況.但這時非零負載電量會較小,這是由于IR下降使得端接電壓在有負載時達到得更早.如果已知SOC的阻抗關系式以及溫度,則通過簡單建模就可確定在該電流負載和溫度下何時可達到端接電壓.但是,阻抗取決于電池,并會隨電池老化和使用循環(huán)的增加而迅速增加,將其存儲于數(shù)據(jù)庫中用處不大.為了解決該問題,TI 的 IC 實現(xiàn)了實時阻抗測量,保持數(shù)據(jù)庫持續(xù)更新,這樣就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問題.全壽命的阻抗數(shù)據(jù)更新可非常精確地預測給定負載的電壓變化(見圖 2).以上方法可以使得在大多數(shù)情況下,可用電量估算誤差率低于 1%.最重要的是,在電池組整個壽命內(nèi)都實現(xiàn)了高精確度.
自適應算法的優(yōu)勢
——即插即用的實施
通過實施上述算法就不再需要事先提供數(shù)據(jù)庫來描述阻抗與 SOC 和溫度的關系,不過仍然需要定義開路電壓和 SOC(包括溫度)之間關系的數(shù)據(jù)庫.但是,這方面的關系由正負極系統(tǒng)的化學性質(zhì)決定,而不是由具體的電池型號設計因素(如電解液、分離器、活性材料厚度等)決定.由于大多數(shù)電池制造商使用相同的化學材料做活性材料(LiCoO2 與石墨),因此它們的 V(SOC,T) 關系式也基本相同.TI對不同制造商所提供電池的無負載電壓圖進行了比較,實驗結果支持上述表述.較大的偏差也只不過 5mV 而已,這就實現(xiàn)了在最差情況下 SOC 誤差率也不過 1.5%.上述新算法將實現(xiàn)電池監(jiān)視器 IC的即插即用,同時還可提高其精確度及可靠性.■
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文章之二采用自適應算法進行便攜式電池電量的計量作者:■德州儀器公司YevgenBarsukovBerndKrafthfer引言隨著便攜式應用的數(shù)量不斷增加,用戶將要完成更多的關鍵業(yè)務.這時整個工作時間內(nèi)系統(tǒng)必須持續(xù)工作,不能失去數(shù)據(jù)的完整性.但是對電池來講,要預計剩余的電量還能維持的系統(tǒng)運行時間非常困難.本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量信息的重要性.遺憾的是,目前無法通過測量數(shù)據(jù)點甚至電池電壓來進行上述計算.溫度、放電速率以及電池老化等因素都會影響電荷狀態(tài)(SOC).本文將集中討論一種剛獲得專利的新技術,它可幫助設計人員預計電荷狀態(tài)SOC以及鋰電池的剩余電量.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301169.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">(a)[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301178.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">(b)圖1 鋰離子電池在(a)完全充電狀態(tài)和(b)放電狀態(tài)下施加1/3C額定負載后的電壓降以及電壓張弛[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301192.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖2根據(jù)基于實時更新電池阻抗的電量監(jiān)測計算法預測的電壓圖與隨后在典型筆記本電腦負載下測量的實驗數(shù)據(jù)的比較.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301202.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">現(xiàn)有電池電量的監(jiān)測方法目前一般采用兩種方法監(jiān)測電池電量.一種以電流積分為基礎,而另一種以電壓測量為基礎.第一種方法基于的觀念是:如果將所有電池充電和放電電流積分的話,那么就能知道還剩下多少電能.如果電池剛剛充電而且已知是充分充電,那么積分電流的做法非常有效.這種方法,對目前大多數(shù)電池電量監(jiān)測都很有效,不過它也有問題,特別是被測電池長期不工作時.如果電池充電后幾天不用,或幾個充電和放電周期中一直未充分充放電,那么內(nèi)部化學反應造成的自放電就會非常明顯.由于自放電無法測量,因此必須用預定的方程式對其進行校正.由于不同電池模型有著不同的自放電速度,而且取決于電池SOC、溫度以及充放電循環(huán)的歷史記錄,自放電的精確建模需要花大量時間收集數(shù)據(jù),而且總是不很精確.此外,只有在完全充電后馬上完全放電,才能更新總電量值.如果電池壽命中完全放電情況不多,那么在電量監(jiān)測計更新數(shù)值前電池的實際電量可能大幅降低,這就導致對可用電量的過高估計.即使電量對給定溫度與放電速度進行更新,可用電量也會隨放電速度和溫度而變動.對于第二種方法,只需要測量電池電極間的電壓.它建立在電池電壓與剩余電量之間的已知相互關系基礎之上,似乎相當直接,但只有在測試過程中不施加負載的情況下,電池電壓與電量之間才是這種簡單關系.當施加負載時,電池電壓就會因電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生的電壓降而發(fā)生失真.電池化學反應與相應的電壓變化復雜的電子化學反應會造成電池瞬態(tài)電壓的響應.電荷必須通過多層存儲能量的電子化學活性材料(正負極)傳輸,首先以電子形式到達粒子表面,隨后在電解液中變?yōu)殡x子形式.上述化學步驟與電池電壓響應的時間常量相關.在施加負載后,電壓以不同的速率隨時間推移逐漸降低,但去掉負載后則逐漸增大.圖1顯示了在不同SOC下向鋰離子電池施加負載時的電壓張弛(relaxation).造成基于電壓的電量監(jiān)測誤差的原因假定通過減去IR壓降來校正帶負載的電壓,隨后用校正電壓獲得當前的SOC.這樣遇到的第一個問題就是R取決于SOC.如果使用平均值,那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下帶來的SOC估計誤差將高達100%,此時的阻抗比完全充電后的狀態(tài)高出10倍.解決方案之一就是根據(jù)SOC在不同負載下使用多維電壓表.阻抗很大程度上取決于溫度,溫度每下降10℃,它就上升約1.5倍,這種相互關系也應加入上述電壓表,然而這就使得計算相當復雜.電池電壓響應是內(nèi)在瞬時的,這是因為有效R取決于負載應用的時間.如果將內(nèi)部阻抗看作簡單歐姆電阻而不考慮時間負載變化情況,那么即使根據(jù)電壓表考慮到R和SOC的相關性也會導致巨大的誤差.由于SOC(V)函數(shù)斜率取決于SOC,因此瞬時誤差可從放電狀態(tài)的0.5%直到中等充電狀態(tài)的14%不等.不同電池間的阻抗變化也會進一步使問題復雜化.即使新生產(chǎn)的電池也會存在+/-15%的低頻DC阻抗變化.這對高負載的電壓校正就會產(chǎn)生很大的影響.有關阻抗問題可能在電池老化時最嚴重.典型的鋰離子電池在70個使用循環(huán)后DC阻抗翻番,而相同周期的無負載電量僅下降2~3個百分點.基于電壓的算法似乎對新電池組很適用,但如果不考慮這一因素,那么在電池組只達到使用壽命的15%(估計約500個使用循環(huán))時就會造成嚴重的誤差(50%).使用兩種方法的最佳之處在開發(fā)新一代電量監(jiān)測計使用的算法時,TI考慮到能否將基于電流和基于電壓的兩種方法相結合,在不同的時候使用相應的方法,這種想法看起來顯而易見,但至今還沒人試過.由于開路電壓與SOC間存在精確的相關性,因此不施加負載且電池處于張弛狀態(tài)時,上述方法可實現(xiàn)精確的SOC估算.由于任何電池供電的設備都有不工作時期,上述方法使得有機會利用不工作時期,找到電荷狀態(tài)的確切起始位置.由于設備接通時可以知道精確的SOC,因此在不工作時期就不再需要自放電校正.當設備進入工作狀態(tài)且給電池施加負載時,則采用電流積分.由于庫侖計數(shù)(coulomb-counting)從運行之初就跟蹤SOC的變化,因此無需對負載下的電壓降進行復雜而且不精確的補償.此外,還可用此方法來更新完全充電的電量.依靠施加負載前的SOC百分比信息、施加負載后的SOC信息(均在張弛狀態(tài)下通過電壓測量獲得)以及二者之間傳輸?shù)碾姾闪?設計人員很容易在已知電荷變化的情況下確定對應于SOC改變的總電量.不管傳輸電量多大,不管起始條件如何,都可實現(xiàn)這一點(不用完全充電),這就不再需要特殊條件來更新電量,從而免去了電流積分算法的又一弱點.以上方法不僅解決了SOC問題并完全避免了電池阻抗的影響,而且還可以用來實現(xiàn)其它目的.可以用該方法更新總電量,對應于最大可能電量等可提取的“無負載”情況.但這時非零負載電量會較小,這是由于IR下降使得端接電壓在有負載時達到得更早.如果已知SOC的阻抗關系式以及溫度,則通過簡單建模就可確定在該電流負載和溫度下何時可達到端接電壓.但是,阻抗取決于電池,并會隨電池老化和使用循環(huán)的增加而迅速增加,將其存儲于數(shù)據(jù)庫中用處不大.為了解決該問題,TI的IC實現(xiàn)了實時阻抗測量,保持數(shù)據(jù)庫持續(xù)更新,這樣就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問題.全壽命的阻抗數(shù)據(jù)更新可非常精確地預測給定負載的電壓變化(見圖2).以上方法可以使得在大多數(shù)情況下,可用電量估算誤差率低于1%.最重要的是,在電池組整個壽命內(nèi)都實現(xiàn)了高精確度.自適應算法的優(yōu)勢——即插即用的實施通過實施上述算法就不再需要事先提供數(shù)據(jù)庫來描述阻抗與SOC和溫度的關系,不過仍然需要定義開路電壓和SOC(包括溫度)之間關系的數(shù)據(jù)庫.但是,這方面的關系由正負極系統(tǒng)的化學性質(zhì)決定,而不是由具體的電池型號設計因素(如電解液、分離器、活性材料厚度等)決定.由于大多數(shù)電池制造商使用相同的化學材料做活性材料(LiCoO2與石墨),因此它們的V(SOC,T)關系式也基本相同.TI對不同制造商所提供電池的無負載電壓圖進行了比較,實驗結果支持上述表述.較大的偏差也只不過5mV而已,這就實現(xiàn)了在最差情況下SOC誤差率也不過1.5%.上述新算法將實現(xiàn)電池監(jiān)視器IC的即插即用,同時還可提高其精確度及可靠性.■
先睹為快!!
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樓主辛苦了!
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文章之二采用自適應算法進行便攜式電池電量的計量作者:■德州儀器公司YevgenBarsukovBerndKrafthfer引言隨著便攜式應用的數(shù)量不斷增加,用戶將要完成更多的關鍵業(yè)務.這時整個工作時間內(nèi)系統(tǒng)必須持續(xù)工作,不能失去數(shù)據(jù)的完整性.但是對電池來講,要預計剩余的電量還能維持的系統(tǒng)運行時間非常困難.本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量信息的重要性.遺憾的是,目前無法通過測量數(shù)據(jù)點甚至電池電壓來進行上述計算.溫度、放電速率以及電池老化等因素都會影響電荷狀態(tài)(SOC).本文將集中討論一種剛獲得專利的新技術,它可幫助設計人員預計電荷狀態(tài)SOC以及鋰電池的剩余電量.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301169.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">(a)[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301178.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">(b)圖1 鋰離子電池在(a)完全充電狀態(tài)和(b)放電狀態(tài)下施加1/3C額定負載后的電壓降以及電壓張弛[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301192.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖2根據(jù)基于實時更新電池阻抗的電量監(jiān)測計算法預測的電壓圖與隨后在典型筆記本電腦負載下測量的實驗數(shù)據(jù)的比較.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104301202.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">現(xiàn)有電池電量的監(jiān)測方法目前一般采用兩種方法監(jiān)測電池電量.一種以電流積分為基礎,而另一種以電壓測量為基礎.第一種方法基于的觀念是:如果將所有電池充電和放電電流積分的話,那么就能知道還剩下多少電能.如果電池剛剛充電而且已知是充分充電,那么積分電流的做法非常有效.這種方法,對目前大多數(shù)電池電量監(jiān)測都很有效,不過它也有問題,特別是被測電池長期不工作時.如果電池充電后幾天不用,或幾個充電和放電周期中一直未充分充放電,那么內(nèi)部化學反應造成的自放電就會非常明顯.由于自放電無法測量,因此必須用預定的方程式對其進行校正.由于不同電池模型有著不同的自放電速度,而且取決于電池SOC、溫度以及充放電循環(huán)的歷史記錄,自放電的精確建模需要花大量時間收集數(shù)據(jù),而且總是不很精確.此外,只有在完全充電后馬上完全放電,才能更新總電量值.如果電池壽命中完全放電情況不多,那么在電量監(jiān)測計更新數(shù)值前電池的實際電量可能大幅降低,這就導致對可用電量的過高估計.即使電量對給定溫度與放電速度進行更新,可用電量也會隨放電速度和溫度而變動.對于第二種方法,只需要測量電池電極間的電壓.它建立在電池電壓與剩余電量之間的已知相互關系基礎之上,似乎相當直接,但只有在測試過程中不施加負載的情況下,電池電壓與電量之間才是這種簡單關系.當施加負載時,電池電壓就會因電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生的電壓降而發(fā)生失真.電池化學反應與相應的電壓變化復雜的電子化學反應會造成電池瞬態(tài)電壓的響應.電荷必須通過多層存儲能量的電子化學活性材料(正負極)傳輸,首先以電子形式到達粒子表面,隨后在電解液中變?yōu)殡x子形式.上述化學步驟與電池電壓響應的時間常量相關.在施加負載后,電壓以不同的速率隨時間推移逐漸降低,但去掉負載后則逐漸增大.圖1顯示了在不同SOC下向鋰離子電池施加負載時的電壓張弛(relaxation).造成基于電壓的電量監(jiān)測誤差的原因假定通過減去IR壓降來校正帶負載的電壓,隨后用校正電壓獲得當前的SOC.這樣遇到的第一個問題就是R取決于SOC.如果使用平均值,那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下帶來的SOC估計誤差將高達100%,此時的阻抗比完全充電后的狀態(tài)高出10倍.解決方案之一就是根據(jù)SOC在不同負載下使用多維電壓表.阻抗很大程度上取決于溫度,溫度每下降10℃,它就上升約1.5倍,這種相互關系也應加入上述電壓表,然而這就使得計算相當復雜.電池電壓響應是內(nèi)在瞬時的,這是因為有效R取決于負載應用的時間.如果將內(nèi)部阻抗看作簡單歐姆電阻而不考慮時間負載變化情況,那么即使根據(jù)電壓表考慮到R和SOC的相關性也會導致巨大的誤差.由于SOC(V)函數(shù)斜率取決于SOC,因此瞬時誤差可從放電狀態(tài)的0.5%直到中等充電狀態(tài)的14%不等.不同電池間的阻抗變化也會進一步使問題復雜化.即使新生產(chǎn)的電池也會存在+/-15%的低頻DC阻抗變化.這對高負載的電壓校正就會產(chǎn)生很大的影響.有關阻抗問題可能在電池老化時最嚴重.典型的鋰離子電池在70個使用循環(huán)后DC阻抗翻番,而相同周期的無負載電量僅下降2~3個百分點.基于電壓的算法似乎對新電池組很適用,但如果不考慮這一因素,那么在電池組只達到使用壽命的15%(估計約500個使用循環(huán))時就會造成嚴重的誤差(50%).使用兩種方法的最佳之處在開發(fā)新一代電量監(jiān)測計使用的算法時,TI考慮到能否將基于電流和基于電壓的兩種方法相結合,在不同的時候使用相應的方法,這種想法看起來顯而易見,但至今還沒人試過.由于開路電壓與SOC間存在精確的相關性,因此不施加負載且電池處于張弛狀態(tài)時,上述方法可實現(xiàn)精確的SOC估算.由于任何電池供電的設備都有不工作時期,上述方法使得有機會利用不工作時期,找到電荷狀態(tài)的確切起始位置.由于設備接通時可以知道精確的SOC,因此在不工作時期就不再需要自放電校正.當設備進入工作狀態(tài)且給電池施加負載時,則采用電流積分.由于庫侖計數(shù)(coulomb-counting)從運行之初就跟蹤SOC的變化,因此無需對負載下的電壓降進行復雜而且不精確的補償.此外,還可用此方法來更新完全充電的電量.依靠施加負載前的SOC百分比信息、施加負載后的SOC信息(均在張弛狀態(tài)下通過電壓測量獲得)以及二者之間傳輸?shù)碾姾闪?設計人員很容易在已知電荷變化的情況下確定對應于SOC改變的總電量.不管傳輸電量多大,不管起始條件如何,都可實現(xiàn)這一點(不用完全充電),這就不再需要特殊條件來更新電量,從而免去了電流積分算法的又一弱點.以上方法不僅解決了SOC問題并完全避免了電池阻抗的影響,而且還可以用來實現(xiàn)其它目的.可以用該方法更新總電量,對應于最大可能電量等可提取的“無負載”情況.但這時非零負載電量會較小,這是由于IR下降使得端接電壓在有負載時達到得更早.如果已知SOC的阻抗關系式以及溫度,則通過簡單建模就可確定在該電流負載和溫度下何時可達到端接電壓.但是,阻抗取決于電池,并會隨電池老化和使用循環(huán)的增加而迅速增加,將其存儲于數(shù)據(jù)庫中用處不大.為了解決該問題,TI的IC實現(xiàn)了實時阻抗測量,保持數(shù)據(jù)庫持續(xù)更新,這樣就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問題.全壽命的阻抗數(shù)據(jù)更新可非常精確地預測給定負載的電壓變化(見圖2).以上方法可以使得在大多數(shù)情況下,可用電量估算誤差率低于1%.最重要的是,在電池組整個壽命內(nèi)都實現(xiàn)了高精確度.自適應算法的優(yōu)勢——即插即用的實施通過實施上述算法就不再需要事先提供數(shù)據(jù)庫來描述阻抗與SOC和溫度的關系,不過仍然需要定義開路電壓和SOC(包括溫度)之間關系的數(shù)據(jù)庫.但是,這方面的關系由正負極系統(tǒng)的化學性質(zhì)決定,而不是由具體的電池型號設計因素(如電解液、分離器、活性材料厚度等)決定.由于大多數(shù)電池制造商使用相同的化學材料做活性材料(LiCoO2與石墨),因此它們的V(SOC,T)關系式也基本相同.TI對不同制造商所提供電池的無負載電壓圖進行了比較,實驗結果支持上述表述.較大的偏差也只不過5mV而已,這就實現(xiàn)了在最差情況下SOC誤差率也不過1.5%.上述新算法將實現(xiàn)電池監(jiān)視器IC的即插即用,同時還可提高其精確度及可靠性.■
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@jt100
多謝樓主.04研討會有篇關于DC/DC的介紹,一些廠家的電路圖未給出,不知樓主有沒詳細資料或圖片傳上來看看.謝了,先.
抱歉李龍文老師提供的原文件就沒有圖,原文如下.
DC/DC變換器技術現(xiàn)狀及未來
李龍文
摘要:從工程實際的角度介紹了DC/DC技術的現(xiàn)狀及發(fā)展,給出當今國際頂級DC/DC產(chǎn)品的實用技術、專利技術及普遍采用的特有技術.指出了半導體技術進步給DC/DC技術帶來的巨大變化.并指出了DC/DC的數(shù)字化方向.
關鍵詞:有源箱位軟開關 同步整流 級聯(lián)拓樸 MCU控制 高效率高功率密度DC/DC
分布式電源系統(tǒng)應用的普及推廣以及電池供電移動式電子設備的飛速發(fā)展,其電源系統(tǒng)需用的DC/DC電源模塊越來越多.對其性能要求越來越高.除去常規(guī)電性能指標以外,對其體積要求越來越小,也就是對其功率密度的要求越來越高,對轉(zhuǎn)換效率要求也越來越高,也即發(fā)熱越來越少.這樣其平均無故障工作時間才越來越長,可靠性越來越好.因此如何開發(fā)設計出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器始終是近二十年來電力電子技術工程師追求的目標.例如:二十年前Lucent公司開發(fā)出第一個半磚DC/DC時,其輸出功率才30W,效率只有78%.而如今半磚的DC/DC輸出功率已達到300W,轉(zhuǎn)換效率高達93.5%.
從八十年代末起,工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積,提高功率密度,首先從大幅度提高開關電源的工作頻率做起,但這種努力結果是大幅度縮小了體積,卻降低了效率.發(fā)熱增多,體積縮小,難過高溫關.因為當時MOSFET的開關速度還不夠快,大幅提高頻率使MOSFET的開關損耗驅(qū)動損耗大幅度增加.工程師們開始研究各種避開開關損耗的軟開關技術.雖然技術模式百花齊放,然而從工程實用角度僅有兩項是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在.一項是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關技術;另一項就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關技術.
有源箝位技術歷經(jīng)三代,且都申報了專利.第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術,其專利已經(jīng)于2002年2月到期.VICOR公司利用該技術,配合磁元件,將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒有超過90%,主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關損耗,還有導通損耗和驅(qū)動損耗.特別是驅(qū)動損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加,而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術,其效率是無法再提高的.因此,其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破90%大關.
為了降低第一代有源箝位技術的成本,IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利.它采用P溝MOSFET在變壓器二次側用于forward電路拓樸的有源箝位.這使產(chǎn)品成本減低很多.但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄,在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術,而且PMOS工作頻率也不理想.
為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉,一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利,并獲準.其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負載.所以實現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率.它共有三個電路方案:其中一個方案可以采用N溝MOSFET.因而工作頻率較高,采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術、磁能轉(zhuǎn)換都結合在一起,因而它實現(xiàn)了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度.(即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉(zhuǎn)換效率)
我們給出三代產(chǎn)品的等效電路,讀者可從其細節(jié)品味各自的特色.有關有源箝位技術近年論文論述頗多,此處不多贅述.
全橋移相ZVS軟開關技術,從90年代中期風靡大功率及中功率開關電源領域.該電路拓樸及控制技術在MOSFET的開關速度還不太理想時,對DC/DC變換器效率的提升起了很大作用.但是工程師們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r也不小.第一個代價是要增加一個諧振電感.它的體積比主變壓器小不了多少(約1/2左右),它也存在損耗,此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多.第二個代價是丟失了8~10%的占空比,這種占空比的丟失將造成二次側的整流損耗.所以弄得不好,反而有得不償失的感覺.第三,諧振元件的參數(shù)需經(jīng)過調(diào)試,能適應工業(yè)生產(chǎn)用的準確值的選定是要花費較多的時間,試驗成本較高.此外,因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實惠頗多,而全橋移相對二次側同步整流的控制效果并不十分理想.例如:第一代PWM ZVS全橋移相控制器,UC3875及UCC3895只控制初級側.若要提供準確的控制同步整流的信號需另加邏輯電路.第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2,雖然增加了對二次側同步整流的控制信號,在做好ZVS軟開關的同時做好二次側的同步整流.但仍舊不能十分有效地控制好二次側的ZVS ZCS同步整流,而這是提高DC/DC變換器效率最有效的措施.UCC3722-1/-2的另一個重大改進是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這里我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路,由業(yè)界工程師們自己去分析對照.
在DC/DC業(yè)界,應該說,軟開關技術的開發(fā)、試驗、直到用于工程實踐,費力不小,但收效卻不是太大.花在這方面的精力和資金還真不如半導體業(yè)界對MOSFET技術的改進.經(jīng)過幾代MOSFET設計工業(yè)技術的進步,從第一代到第八代.光刻工藝從5μM進步到0.5μM.完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降.加上進一步減薄的晶片.優(yōu)秀的芯片粘結焊接技術,使當今的MOSFET (例如80V40A)導通電阻降至5mΩ以下,開關時間已小于20ns,柵電荷僅20nc,而且是在邏輯電平下驅(qū)動即可.在這樣的條件下,同步整流技術獲得了極好的效果,幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個百分點.效率指標已經(jīng)普遍進入了>90%的范圍.
目前,自偏置同步整流已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出.自偏置同步整流用法簡單易行,選擇好MOSFET即告成功,此處不多述.
而對于12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅(qū)動IC,這樣可以收到較好的效果.ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激變換電路及正激變換電路.我們給出其參考電路.線性技術公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優(yōu)秀的同步整流控制IC.采用IC驅(qū)動的同步整流電路中,應該說最好的還是業(yè)界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路,它將DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率帶上了95%這一歷史性臺階.
ZVS,ZCS同步整流只適用初級側為對稱型電路拓樸,磁芯可以雙向工作的場合.即推挽、半橋以及全橋硬開關的電路.二次側輸出電壓24V以下,輸出電流較大的場合,這時可以獲得最佳的效果.我們知道,對于傳輸同樣功率高壓小電流硬開關的損耗要比低壓大電流硬開關時的損耗低很多.我們利用這種性能將PWM的輸出信號經(jīng)過變壓器或高速光耦傳輸至二次側,適當處理其脈寬后,再去驅(qū)動同步整流的MOSFET.讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒有電壓,不流過電流時開啟及關斷.只要此時同步整流的MOSFET的導通電阻足夠小,柵驅(qū)動電荷足夠小,就能大幅度地提升轉(zhuǎn)換效率.最高的95%的轉(zhuǎn)換效率即是這樣獲得的,業(yè)界將其稱為CoolSet,即冷裝置,不再需要散熱器和風扇了.
這種電路拓樸的輸出電壓在12V、15V輸出時效率最高,電壓降低或升高,效率隨之下降.輸出電壓超過28V時,將與肖特基二極管整流的效果相當.輸出電壓低于5V時采用倍流整流會使變壓器利用更充分,轉(zhuǎn)換效率也會更高.
全橋硬開關電路在二次側實現(xiàn)ZVS,VCS同步整流的方框電路及工作波形給出如下,見圖:
在ZVS及ZCS同步整流技術應用于工程獲得成功后,人們在不對稱電路拓樸中也在進行軟開關同步整流控制的試驗.例如已經(jīng)有了有源箱位正激電路的同步整流驅(qū)動(NCP1560),雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動(LTC1681及LTC1698)但都未取得如對稱型電路拓樸的ZVS,ZCS同步整流的優(yōu)良效果.
近來,TI的工程師采用予撿測同步整流MOSFET開關狀態(tài),然后用數(shù)字技術調(diào)整MOSFET開關時間的方法突破性的做出ZVS的同步整流,從而解決了非對稱電路的軟開關同步整流,詳情見專題論述.
近年來,復合電路拓樸也迅速發(fā)展起來,這種電路拓樸的集中目標都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài).當初級電壓變化一倍時,二次側的占空比會相應縮小一半.而MOSFET的源漏電壓卻升高一倍.這意味著我們必須選擇更高耐壓的同步整流用MOSFET.我們知道,從半導體技術來分析MOSFET這種器件,當其耐壓高一倍時,其導通電阻會擴大兩倍.這對于用做同步整流十分不利,于是我們設想可否將二次側同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%.這樣我們選擇比輸出電壓高2.5倍的MOSFET就可以了.例如:3.3V輸出電壓時同步整流MOSFET的耐壓選12V檔就可以了.而占空比變化大的我們就得選20V甚至30V的MOSFET,大家對比一下,12V的MOSFET會比20V的MOSFET的導通電阻小很多!正是基于這樣一種思維,美國業(yè)界工程師先后搞出了多個復合電路拓樸.
第一家申請專利的是美國SynQor公司,它的電路為Buck加上雙組交互forward組合技術.第一級是同步整流的Buck電路,將較高的輸入電壓(36~75V)降至某一中間值如26V.控制兩管占空比在30~60%工作.第二級為兩組交互forward電路.各工作在50%占空比,而且兩者輸出相位相差180º剛好互補.變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài).Buck級只要輸出濾波電感,而forward級在整流后只要輸出濾波電容.如此情況下SynQor產(chǎn)品獲得了92%以上的轉(zhuǎn)換效率.下面給出其電路,其控制IC就是我們熟知的UCC3843.它利用一顆IC巧妙地控制了上述全部功能.
第二家申請專利的是美國國家半導體公司,它的電路為Buck加上一組對稱拓樸(推挽、半橋、全橋).第一級與SynQor公司相同,而第二級則為對稱型電路拓樸.這樣就可方便地實現(xiàn)ZVS,ZCS同步整流,它的同步整流不僅是ZVS,ZCS軟開關的,而且是最大占空比條件下的同步整流.如此情況下,它獲得了94%的轉(zhuǎn)換效率,下面給出其電路,見圖:限于兩級交聯(lián)其效率畢竟為兩級的乘積,因此這種方式的最高效率還是受到限制.
國家半導體公司給出的控制IC是當今最新穎獨特的.首先它無需起動電路.可直接接100V以下高壓.其次它驅(qū)動Buck電路的電平位移電路也做在IC內(nèi)部.然后還同步地給出第二級的雙路輸出驅(qū)動.可直接驅(qū)動推挽電路,或加上驅(qū)動器IC驅(qū)動半橋或全橋電路,二次側反饋的光耦可直接接至IC.此IC即今年剛問世的LM5041,其框圖及應用電路如圖.
以上兩種電路拓樸由于二次占空比不變還很適合多路輸出.復合電路拓樸中還有一個新的發(fā)明就是推挽電路二次側同步整流之后再加上Buck電路以實現(xiàn)多輸出.采用一顆UCC3895再加上幾個門電路形成了一個革命性的變革組合.其電路如下.這是一個很奇妙的思維及組合,其推挽及同步整流也都是處在最大占空比之下工作的,但電壓卻在變化著.其電路框圖給出如圖.
在開關電源中普遍應用高頻鐵氧體磁芯,作為變壓器和電感,由于鐵氧體固有的磁滯特性,使得我們在設計所有各類電路拓樸時都不得不面對這個問題.在此之前絕大多數(shù)電路的做法都是用R、C、D網(wǎng)絡將該部分磁能消耗掉,對變換器效率有幾個百分點的影響.由于還有比它損耗比例更大的部位,所以注意力并沒有放在此處.然而到了轉(zhuǎn)換效率升至90%以上時,這種做法就絕對不可以了.從現(xiàn)在DC/DC工程化的產(chǎn)品來看,由于增加半導體器材(如MOSET、驅(qū)動IC等)是易如反掌的事.因此多數(shù)電路拓樸選用的是全橋電路拓樸及雙晶體管正激電路.這兩個電路是能使磁芯自動復位的最佳拓樸.對全橋電路與四個MOSFET并接上四個肖特基二極管即可,當對角線MOSFET同時關斷時,變壓器初級繞組勵磁電感中的能量可自動地通過另兩個二極管回饋至供電電源.如果工作頻率不高,或選用了具快恢復性能體二極管的MOSFET,就可以省掉這四支肖特基二極管.這很適合100W以上的大功率DC/DC.而對于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路.它的復位原理已人盡皆知,唯一的不足就是最大只有50%的占空比.對小功率的forward電路近年來開發(fā)出一個諧振式自動復位電路.用了幾個無源元件就能基本無損耗地將磁芯復位,其不足點也是最大占空比僅有50%,此外就是主功率MOSFET的耐壓要提升約30%.(其電路見附圖)
目前,美國幾家高級DC/DC制造商已經(jīng)在高功率密度的DC/DC中使用了小型微處理器的技術.首先它可以取代很多模擬電路,減少了模擬元件的數(shù)量,它可以取代窗口比較器 、檢測器、鎖存器等完成電源的起動、過壓保護、欠壓鎖定、過流保護、短路保護及過熱保護等功能.由于這些功能都是依靠改變在微控制器上運行的微程序.所以技術容易保密.此外,改變微控制器的微程序還可以適應同一印板生產(chǎn)多品種DC/DC的要求,簡化了器材準備、生產(chǎn)管理等的復雜工作.由于它是數(shù)字化管理,它的保護功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多,有了它還可以解決多個模塊并聯(lián)工作的排序和均流問題.
第二代微控制器控制的DC/DC還沒有將典型的開關電源進行全面的數(shù)字閉環(huán)控制,但是已經(jīng)沒有PWM IC出現(xiàn)在電路中,一個小型MCU參與DC/DC的整個閉環(huán)控制.但PWM部分仍是模擬控制,現(xiàn)在,采用DSP數(shù)字信號處理器參與脈寬調(diào)制,最大、最小占空比控制、頻率設置、降頻升頻控制、輸出電壓的調(diào)節(jié)等工作,以及全部保護功能的DC/DC變換器已經(jīng)問世.這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開關電源,是全數(shù)字化的電源,這時DC/DC的數(shù)字化進程就真正地實現(xiàn)了.好在半導體技術的進步能很大幅度地降低芯片成本,因此,電源技術的數(shù)字化革命應該說號角已經(jīng)吹響.該讓我們向在模擬領域進行電源技術攀登的工程師們開始敲起數(shù)字化的進行曲了!使用DSP控制的數(shù)字電源我們另文介紹.
下面我們介紹世界著名DC/DC開發(fā)制造商的產(chǎn)品特色.
1. Galaxy pwr公司
世界頂級、全橋自動復位硬開關ZVSZCS同步整流.全部工作用微控制器MCU控制,效率94~95%.解剖電路見圖.
2. Synqor兩級并聯(lián),Buck+雙互補forward同步整流微控制器,PWM IC和MCU IC控制,效率92~93%.解剖電路見圖.
3. Glary第三代有源箱位,雙互補forward并聯(lián),同步整流,效率92%,功率密度240W/in3,1/4磚250W.解剖電路見圖.
4. DIDT二次側PWM控制的初級半橋及全橋.
ZVS,ZCS同步整流,效率91%.解剖電路見圖.
5. Ericsson全橋硬開關ZVS,ZCS同步整流,效率93%.解剖電路見圖.
6. VICOR第一代有源箱位,大功率輸出高功率密度,89%效率.解剖電路見圖.
7. Artesyn互補有源箱位Push-pull,效率90%,自偏置同步整流.解剖電路見圖.
8. TYCO有源箱位forward,同步整流,世界DC/DC的主導商,世界標準的創(chuàng)立者.
9. Lambda有源箱位P-溝MOSFET有源箱位,自偏置同步整流.解剖電路見圖.
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%,解剖電路見圖.
11. 其它10余家公司產(chǎn)品只能給出照片,因未曾得到樣品進行解剖,但所用技術應不會跳出我們上面所述的范圍.
總結上述調(diào)研我們可以看到,半導體技術進步是DC/DC技術變化的強大動力.
(1) MOSFET的技術進步給DC/DC模塊技術帶來的巨大變化,同步整流技術的巨大進步.
(2) Schottky技術的進步.
(3) 控制及驅(qū)動IC的進步
a. 高壓直接起動
b. 高壓電平位移驅(qū)動取代變壓器驅(qū)動
c. ZVS,ZCS驅(qū)動器貢獻給同步整流最佳效果.
d. 光耦反饋直接接口.
PWM IC經(jīng)歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉(zhuǎn)換,又經(jīng)歷了硬開關=>軟開關=>硬開關的否定之否定變化.掌握優(yōu)秀控制IC是制作優(yōu)秀DC/DC的前提和關鍵.
(4) 微控制器及DSP進入DC/DC是技術發(fā)展的必由之路.
(5) 磁芯技術的突破是下一代DC/DC技術進步的關鍵,也是巨大難題.
對非隔離DC/DC的討論在本文中從略(另敘)
對AC/DC的降頻、頻率抖動、無載損耗控制、高壓起動等以及PFC的討論在本文中也從略.
DC/DC變換器技術現(xiàn)狀及未來
李龍文
摘要:從工程實際的角度介紹了DC/DC技術的現(xiàn)狀及發(fā)展,給出當今國際頂級DC/DC產(chǎn)品的實用技術、專利技術及普遍采用的特有技術.指出了半導體技術進步給DC/DC技術帶來的巨大變化.并指出了DC/DC的數(shù)字化方向.
關鍵詞:有源箱位軟開關 同步整流 級聯(lián)拓樸 MCU控制 高效率高功率密度DC/DC
分布式電源系統(tǒng)應用的普及推廣以及電池供電移動式電子設備的飛速發(fā)展,其電源系統(tǒng)需用的DC/DC電源模塊越來越多.對其性能要求越來越高.除去常規(guī)電性能指標以外,對其體積要求越來越小,也就是對其功率密度的要求越來越高,對轉(zhuǎn)換效率要求也越來越高,也即發(fā)熱越來越少.這樣其平均無故障工作時間才越來越長,可靠性越來越好.因此如何開發(fā)設計出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器始終是近二十年來電力電子技術工程師追求的目標.例如:二十年前Lucent公司開發(fā)出第一個半磚DC/DC時,其輸出功率才30W,效率只有78%.而如今半磚的DC/DC輸出功率已達到300W,轉(zhuǎn)換效率高達93.5%.
從八十年代末起,工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積,提高功率密度,首先從大幅度提高開關電源的工作頻率做起,但這種努力結果是大幅度縮小了體積,卻降低了效率.發(fā)熱增多,體積縮小,難過高溫關.因為當時MOSFET的開關速度還不夠快,大幅提高頻率使MOSFET的開關損耗驅(qū)動損耗大幅度增加.工程師們開始研究各種避開開關損耗的軟開關技術.雖然技術模式百花齊放,然而從工程實用角度僅有兩項是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在.一項是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關技術;另一項就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關技術.
有源箝位技術歷經(jīng)三代,且都申報了專利.第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術,其專利已經(jīng)于2002年2月到期.VICOR公司利用該技術,配合磁元件,將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒有超過90%,主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關損耗,還有導通損耗和驅(qū)動損耗.特別是驅(qū)動損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加,而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術,其效率是無法再提高的.因此,其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破90%大關.
為了降低第一代有源箝位技術的成本,IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利.它采用P溝MOSFET在變壓器二次側用于forward電路拓樸的有源箝位.這使產(chǎn)品成本減低很多.但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄,在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術,而且PMOS工作頻率也不理想.
為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉,一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利,并獲準.其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負載.所以實現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率.它共有三個電路方案:其中一個方案可以采用N溝MOSFET.因而工作頻率較高,采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術、磁能轉(zhuǎn)換都結合在一起,因而它實現(xiàn)了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度.(即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉(zhuǎn)換效率)
我們給出三代產(chǎn)品的等效電路,讀者可從其細節(jié)品味各自的特色.有關有源箝位技術近年論文論述頗多,此處不多贅述.
全橋移相ZVS軟開關技術,從90年代中期風靡大功率及中功率開關電源領域.該電路拓樸及控制技術在MOSFET的開關速度還不太理想時,對DC/DC變換器效率的提升起了很大作用.但是工程師們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r也不小.第一個代價是要增加一個諧振電感.它的體積比主變壓器小不了多少(約1/2左右),它也存在損耗,此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多.第二個代價是丟失了8~10%的占空比,這種占空比的丟失將造成二次側的整流損耗.所以弄得不好,反而有得不償失的感覺.第三,諧振元件的參數(shù)需經(jīng)過調(diào)試,能適應工業(yè)生產(chǎn)用的準確值的選定是要花費較多的時間,試驗成本較高.此外,因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實惠頗多,而全橋移相對二次側同步整流的控制效果并不十分理想.例如:第一代PWM ZVS全橋移相控制器,UC3875及UCC3895只控制初級側.若要提供準確的控制同步整流的信號需另加邏輯電路.第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2,雖然增加了對二次側同步整流的控制信號,在做好ZVS軟開關的同時做好二次側的同步整流.但仍舊不能十分有效地控制好二次側的ZVS ZCS同步整流,而這是提高DC/DC變換器效率最有效的措施.UCC3722-1/-2的另一個重大改進是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這里我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路,由業(yè)界工程師們自己去分析對照.
在DC/DC業(yè)界,應該說,軟開關技術的開發(fā)、試驗、直到用于工程實踐,費力不小,但收效卻不是太大.花在這方面的精力和資金還真不如半導體業(yè)界對MOSFET技術的改進.經(jīng)過幾代MOSFET設計工業(yè)技術的進步,從第一代到第八代.光刻工藝從5μM進步到0.5μM.完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降.加上進一步減薄的晶片.優(yōu)秀的芯片粘結焊接技術,使當今的MOSFET (例如80V40A)導通電阻降至5mΩ以下,開關時間已小于20ns,柵電荷僅20nc,而且是在邏輯電平下驅(qū)動即可.在這樣的條件下,同步整流技術獲得了極好的效果,幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個百分點.效率指標已經(jīng)普遍進入了>90%的范圍.
目前,自偏置同步整流已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出.自偏置同步整流用法簡單易行,選擇好MOSFET即告成功,此處不多述.
而對于12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅(qū)動IC,這樣可以收到較好的效果.ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激變換電路及正激變換電路.我們給出其參考電路.線性技術公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優(yōu)秀的同步整流控制IC.采用IC驅(qū)動的同步整流電路中,應該說最好的還是業(yè)界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路,它將DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率帶上了95%這一歷史性臺階.
ZVS,ZCS同步整流只適用初級側為對稱型電路拓樸,磁芯可以雙向工作的場合.即推挽、半橋以及全橋硬開關的電路.二次側輸出電壓24V以下,輸出電流較大的場合,這時可以獲得最佳的效果.我們知道,對于傳輸同樣功率高壓小電流硬開關的損耗要比低壓大電流硬開關時的損耗低很多.我們利用這種性能將PWM的輸出信號經(jīng)過變壓器或高速光耦傳輸至二次側,適當處理其脈寬后,再去驅(qū)動同步整流的MOSFET.讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒有電壓,不流過電流時開啟及關斷.只要此時同步整流的MOSFET的導通電阻足夠小,柵驅(qū)動電荷足夠小,就能大幅度地提升轉(zhuǎn)換效率.最高的95%的轉(zhuǎn)換效率即是這樣獲得的,業(yè)界將其稱為CoolSet,即冷裝置,不再需要散熱器和風扇了.
這種電路拓樸的輸出電壓在12V、15V輸出時效率最高,電壓降低或升高,效率隨之下降.輸出電壓超過28V時,將與肖特基二極管整流的效果相當.輸出電壓低于5V時采用倍流整流會使變壓器利用更充分,轉(zhuǎn)換效率也會更高.
全橋硬開關電路在二次側實現(xiàn)ZVS,VCS同步整流的方框電路及工作波形給出如下,見圖:
在ZVS及ZCS同步整流技術應用于工程獲得成功后,人們在不對稱電路拓樸中也在進行軟開關同步整流控制的試驗.例如已經(jīng)有了有源箱位正激電路的同步整流驅(qū)動(NCP1560),雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動(LTC1681及LTC1698)但都未取得如對稱型電路拓樸的ZVS,ZCS同步整流的優(yōu)良效果.
近來,TI的工程師采用予撿測同步整流MOSFET開關狀態(tài),然后用數(shù)字技術調(diào)整MOSFET開關時間的方法突破性的做出ZVS的同步整流,從而解決了非對稱電路的軟開關同步整流,詳情見專題論述.
近年來,復合電路拓樸也迅速發(fā)展起來,這種電路拓樸的集中目標都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài).當初級電壓變化一倍時,二次側的占空比會相應縮小一半.而MOSFET的源漏電壓卻升高一倍.這意味著我們必須選擇更高耐壓的同步整流用MOSFET.我們知道,從半導體技術來分析MOSFET這種器件,當其耐壓高一倍時,其導通電阻會擴大兩倍.這對于用做同步整流十分不利,于是我們設想可否將二次側同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%.這樣我們選擇比輸出電壓高2.5倍的MOSFET就可以了.例如:3.3V輸出電壓時同步整流MOSFET的耐壓選12V檔就可以了.而占空比變化大的我們就得選20V甚至30V的MOSFET,大家對比一下,12V的MOSFET會比20V的MOSFET的導通電阻小很多!正是基于這樣一種思維,美國業(yè)界工程師先后搞出了多個復合電路拓樸.
第一家申請專利的是美國SynQor公司,它的電路為Buck加上雙組交互forward組合技術.第一級是同步整流的Buck電路,將較高的輸入電壓(36~75V)降至某一中間值如26V.控制兩管占空比在30~60%工作.第二級為兩組交互forward電路.各工作在50%占空比,而且兩者輸出相位相差180º剛好互補.變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài).Buck級只要輸出濾波電感,而forward級在整流后只要輸出濾波電容.如此情況下SynQor產(chǎn)品獲得了92%以上的轉(zhuǎn)換效率.下面給出其電路,其控制IC就是我們熟知的UCC3843.它利用一顆IC巧妙地控制了上述全部功能.
第二家申請專利的是美國國家半導體公司,它的電路為Buck加上一組對稱拓樸(推挽、半橋、全橋).第一級與SynQor公司相同,而第二級則為對稱型電路拓樸.這樣就可方便地實現(xiàn)ZVS,ZCS同步整流,它的同步整流不僅是ZVS,ZCS軟開關的,而且是最大占空比條件下的同步整流.如此情況下,它獲得了94%的轉(zhuǎn)換效率,下面給出其電路,見圖:限于兩級交聯(lián)其效率畢竟為兩級的乘積,因此這種方式的最高效率還是受到限制.
國家半導體公司給出的控制IC是當今最新穎獨特的.首先它無需起動電路.可直接接100V以下高壓.其次它驅(qū)動Buck電路的電平位移電路也做在IC內(nèi)部.然后還同步地給出第二級的雙路輸出驅(qū)動.可直接驅(qū)動推挽電路,或加上驅(qū)動器IC驅(qū)動半橋或全橋電路,二次側反饋的光耦可直接接至IC.此IC即今年剛問世的LM5041,其框圖及應用電路如圖.
以上兩種電路拓樸由于二次占空比不變還很適合多路輸出.復合電路拓樸中還有一個新的發(fā)明就是推挽電路二次側同步整流之后再加上Buck電路以實現(xiàn)多輸出.采用一顆UCC3895再加上幾個門電路形成了一個革命性的變革組合.其電路如下.這是一個很奇妙的思維及組合,其推挽及同步整流也都是處在最大占空比之下工作的,但電壓卻在變化著.其電路框圖給出如圖.
在開關電源中普遍應用高頻鐵氧體磁芯,作為變壓器和電感,由于鐵氧體固有的磁滯特性,使得我們在設計所有各類電路拓樸時都不得不面對這個問題.在此之前絕大多數(shù)電路的做法都是用R、C、D網(wǎng)絡將該部分磁能消耗掉,對變換器效率有幾個百分點的影響.由于還有比它損耗比例更大的部位,所以注意力并沒有放在此處.然而到了轉(zhuǎn)換效率升至90%以上時,這種做法就絕對不可以了.從現(xiàn)在DC/DC工程化的產(chǎn)品來看,由于增加半導體器材(如MOSET、驅(qū)動IC等)是易如反掌的事.因此多數(shù)電路拓樸選用的是全橋電路拓樸及雙晶體管正激電路.這兩個電路是能使磁芯自動復位的最佳拓樸.對全橋電路與四個MOSFET并接上四個肖特基二極管即可,當對角線MOSFET同時關斷時,變壓器初級繞組勵磁電感中的能量可自動地通過另兩個二極管回饋至供電電源.如果工作頻率不高,或選用了具快恢復性能體二極管的MOSFET,就可以省掉這四支肖特基二極管.這很適合100W以上的大功率DC/DC.而對于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路.它的復位原理已人盡皆知,唯一的不足就是最大只有50%的占空比.對小功率的forward電路近年來開發(fā)出一個諧振式自動復位電路.用了幾個無源元件就能基本無損耗地將磁芯復位,其不足點也是最大占空比僅有50%,此外就是主功率MOSFET的耐壓要提升約30%.(其電路見附圖)
目前,美國幾家高級DC/DC制造商已經(jīng)在高功率密度的DC/DC中使用了小型微處理器的技術.首先它可以取代很多模擬電路,減少了模擬元件的數(shù)量,它可以取代窗口比較器 、檢測器、鎖存器等完成電源的起動、過壓保護、欠壓鎖定、過流保護、短路保護及過熱保護等功能.由于這些功能都是依靠改變在微控制器上運行的微程序.所以技術容易保密.此外,改變微控制器的微程序還可以適應同一印板生產(chǎn)多品種DC/DC的要求,簡化了器材準備、生產(chǎn)管理等的復雜工作.由于它是數(shù)字化管理,它的保護功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多,有了它還可以解決多個模塊并聯(lián)工作的排序和均流問題.
第二代微控制器控制的DC/DC還沒有將典型的開關電源進行全面的數(shù)字閉環(huán)控制,但是已經(jīng)沒有PWM IC出現(xiàn)在電路中,一個小型MCU參與DC/DC的整個閉環(huán)控制.但PWM部分仍是模擬控制,現(xiàn)在,采用DSP數(shù)字信號處理器參與脈寬調(diào)制,最大、最小占空比控制、頻率設置、降頻升頻控制、輸出電壓的調(diào)節(jié)等工作,以及全部保護功能的DC/DC變換器已經(jīng)問世.這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開關電源,是全數(shù)字化的電源,這時DC/DC的數(shù)字化進程就真正地實現(xiàn)了.好在半導體技術的進步能很大幅度地降低芯片成本,因此,電源技術的數(shù)字化革命應該說號角已經(jīng)吹響.該讓我們向在模擬領域進行電源技術攀登的工程師們開始敲起數(shù)字化的進行曲了!使用DSP控制的數(shù)字電源我們另文介紹.
下面我們介紹世界著名DC/DC開發(fā)制造商的產(chǎn)品特色.
1. Galaxy pwr公司
世界頂級、全橋自動復位硬開關ZVSZCS同步整流.全部工作用微控制器MCU控制,效率94~95%.解剖電路見圖.
2. Synqor兩級并聯(lián),Buck+雙互補forward同步整流微控制器,PWM IC和MCU IC控制,效率92~93%.解剖電路見圖.
3. Glary第三代有源箱位,雙互補forward并聯(lián),同步整流,效率92%,功率密度240W/in3,1/4磚250W.解剖電路見圖.
4. DIDT二次側PWM控制的初級半橋及全橋.
ZVS,ZCS同步整流,效率91%.解剖電路見圖.
5. Ericsson全橋硬開關ZVS,ZCS同步整流,效率93%.解剖電路見圖.
6. VICOR第一代有源箱位,大功率輸出高功率密度,89%效率.解剖電路見圖.
7. Artesyn互補有源箱位Push-pull,效率90%,自偏置同步整流.解剖電路見圖.
8. TYCO有源箱位forward,同步整流,世界DC/DC的主導商,世界標準的創(chuàng)立者.
9. Lambda有源箱位P-溝MOSFET有源箱位,自偏置同步整流.解剖電路見圖.
10. IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%,解剖電路見圖.
11. 其它10余家公司產(chǎn)品只能給出照片,因未曾得到樣品進行解剖,但所用技術應不會跳出我們上面所述的范圍.
總結上述調(diào)研我們可以看到,半導體技術進步是DC/DC技術變化的強大動力.
(1) MOSFET的技術進步給DC/DC模塊技術帶來的巨大變化,同步整流技術的巨大進步.
(2) Schottky技術的進步.
(3) 控制及驅(qū)動IC的進步
a. 高壓直接起動
b. 高壓電平位移驅(qū)動取代變壓器驅(qū)動
c. ZVS,ZCS驅(qū)動器貢獻給同步整流最佳效果.
d. 光耦反饋直接接口.
PWM IC經(jīng)歷了電壓型=>電流型=>電壓型的轉(zhuǎn)換,又經(jīng)歷了硬開關=>軟開關=>硬開關的否定之否定變化.掌握優(yōu)秀控制IC是制作優(yōu)秀DC/DC的前提和關鍵.
(4) 微控制器及DSP進入DC/DC是技術發(fā)展的必由之路.
(5) 磁芯技術的突破是下一代DC/DC技術進步的關鍵,也是巨大難題.
對非隔離DC/DC的討論在本文中從略(另敘)
對AC/DC的降頻、頻率抖動、無載損耗控制、高壓起動等以及PFC的討論在本文中也從略.
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文章之三
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)
作者:華南理工大學 吳開源 李陽 陸沛濤 黃石生
弧焊逆變電源(亦稱弧焊逆變器)是一種高效、節(jié)能、輕便的新型弧焊電源.目前,采用IGBT作為功率控制器件來提高功率主電路的控制性和穩(wěn)定性,以8位或16位單片機作為控制核心進行焊接程序控制和焊接參數(shù)運算處理,提高了弧焊逆變電源的操作性.
數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛普及和應用,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎.
DSP與單片機性能比較分析
單片機 (MCU)廣泛應用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端,主要起控制作用.DSP可高速地實現(xiàn)過去由軟件實現(xiàn)的大部分算法.表1 比較了典型單片機和DSP的性能指標.
由表1可知,與單片機相比,DSP的優(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強、高運算速度、能實時完成復雜計算、單周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采樣周期.
就目前技術現(xiàn)狀,將DSP和單片機結合起來設計系統(tǒng)是一種很好的方法,充分發(fā)揮單片機控制能力強的特點和DSP強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度的優(yōu)勢.從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的精度和實時性,滿足弧焊逆變電源更高的性能要求.
目前適用于弧焊逆變電源控制的DSP主要有TI公司的TMS320C2000系列、ADI公司的ADSP2100系列、Motorola公司的DSP56F800系列.下面以TI公司的16位定點TMS320LF2407A為例說明DSP的結構,如圖1所示.
由圖1可見DSP的結構特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應用,主要表現(xiàn)為:
改進的哈佛結構;流水線操作;采用硬件乘法器;快速的指令周期;TMS320LF2407A的時鐘頻率達到40MHz,即指令周期為25ns,運算能力為40MIPS(每秒百萬條指令).芯片有一套專門為數(shù)字信號處理而設計的指令系統(tǒng).指令集簡化了數(shù)字信號處理過程;優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路:從圖1可見在DSP芯片中集成了A/D轉(zhuǎn)換、大容量存儲器、定時器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數(shù)字I/O口、SPI、SCI、CAN,其中4個通用定時器和12個比較單元的結合能產(chǎn)生多達16路的PWM輸出,足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動.
此外,TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ?、硬件尋址控制以及多種節(jié)電模式等特有的性能,這些特性將有利于TMS320LF2407A在弧焊逆變電源控制中的應用.
控制系統(tǒng)組成與工作原理
根據(jù)單片機和DSP的各自優(yōu)勢,我們選擇了以單片機為上位機,DSP為下位機的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案,如圖2所示.
控制系統(tǒng)由單片機、DSP、鍵盤、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)組成,與以單片機為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡化了系統(tǒng)組成.
方案中的單片機采用Winbond公司的W77E58,DSP為TI公司的TMS320LF2407A.
在這一方案中單片機主要完成焊接程序控制和人機接口,因人機接口對速度要求是比較低的,對控制能力的要求較高,人機接口功能包括:焊接參數(shù)的給定及實時顯示.
DSP主要完成采樣信號的反饋運算及PWM脈沖序列的生成,DSP根據(jù)電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機提供的給定值在DSP內(nèi)部完成復雜的算術邏輯運算,輸出適當寬度的PWM脈沖信號,經(jīng)驅(qū)動放大后用于IGBT柵級驅(qū)動,以控制電源的輸出電流、電壓,實現(xiàn)弧焊逆變電源的控制.單片機和DSP之間的通信由SCI串行接口實現(xiàn).
控制系統(tǒng)重要組成部分基本工作原理分述如下:
電流反饋
本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測電流,由于TMS320LF240A的A/D輸入信號范圍為0~5V,因此,必須將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號,再經(jīng)放大濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換通道.
PWM輸出和功率驅(qū)動
TMS320LF240A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號,有從0~16ms的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出,可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件.功率驅(qū)動采用變壓器驅(qū)動.
保護功能
為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵級驅(qū)動電路安全可靠地工作,TMS320LF240A提供了PDPINT引腳,利用它可方便地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的過壓、過流、欠壓、過溫等保護功能.
各種故障信號經(jīng)光電隔離后輸入到PDPINT引腳,有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時PDPINT引腳被拉為低電平,此時DSP內(nèi)定時器立即停止計數(shù),所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài),現(xiàn)時產(chǎn)生中斷信號,通知CPU有異常情況發(fā)生.整個過程不需要程序干預,全部自動完成,這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用.
控制系統(tǒng)特點
基于DSP從以下各個方面改善了弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的技術指標:
設計方面
傳統(tǒng)的單片機弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多,元器件易受損,從而增加了維修和維護的工作量;而基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)元器件顯著減少.
速度方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機和DSP的優(yōu)勢,從而大大提高了控制系統(tǒng)的實時性.
精度、穩(wěn)定性方面
TMS320LF2407A為16位定點DSP,可以達到10-5的精度.消除了模擬系統(tǒng)中參數(shù)的容差、漂移導致的控制器參數(shù)的變化,穩(wěn)定性提高.
靈活性方面
基于DSP的控制系統(tǒng)靈活性好,參數(shù)容易改變,便于升級.設計工作主要集中在軟件上,通過編程可用同一塊控制板實現(xiàn)不同的焊接工藝控制.
控制算法實現(xiàn)方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)有望突破經(jīng)典控制方法,而采用更為先進的現(xiàn)代控制技術.
接口方面
基于DSP的控制系統(tǒng)與其它現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的,與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多.
結語
DSP技術的高速發(fā)展和DSP應用的普及,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的設計提供了一個很好的選擇.就目前的技術現(xiàn)狀,以單片機為上位機,負責焊接程序控制和人機接口,以DSP為下位機,負責焊接參數(shù)反饋運算和PWM波形的產(chǎn)生,是一種較好的解決方案.
這項技術在國內(nèi)剛剛起步,是一項前景廣闊的新技術,必將得到越來越廣泛的應用.■
參考文獻:
1. 黃石生. 新型弧焊電源及其智能控制 [M]. 北京: 機械工業(yè)再版社. 2000.
2. 張雄偉,曹鐵勇. DSP芯片的原理與開發(fā)應用(第2版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社. 2000.
3. 劉和平. TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社. 2002.
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圖1 TMS320LF2407A體系結構框圖
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圖2 基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)原理框圖
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)
作者:華南理工大學 吳開源 李陽 陸沛濤 黃石生
弧焊逆變電源(亦稱弧焊逆變器)是一種高效、節(jié)能、輕便的新型弧焊電源.目前,采用IGBT作為功率控制器件來提高功率主電路的控制性和穩(wěn)定性,以8位或16位單片機作為控制核心進行焊接程序控制和焊接參數(shù)運算處理,提高了弧焊逆變電源的操作性.
數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛普及和應用,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎.
DSP與單片機性能比較分析
單片機 (MCU)廣泛應用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端,主要起控制作用.DSP可高速地實現(xiàn)過去由軟件實現(xiàn)的大部分算法.表1 比較了典型單片機和DSP的性能指標.
由表1可知,與單片機相比,DSP的優(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強、高運算速度、能實時完成復雜計算、單周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采樣周期.
就目前技術現(xiàn)狀,將DSP和單片機結合起來設計系統(tǒng)是一種很好的方法,充分發(fā)揮單片機控制能力強的特點和DSP強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度的優(yōu)勢.從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的精度和實時性,滿足弧焊逆變電源更高的性能要求.
目前適用于弧焊逆變電源控制的DSP主要有TI公司的TMS320C2000系列、ADI公司的ADSP2100系列、Motorola公司的DSP56F800系列.下面以TI公司的16位定點TMS320LF2407A為例說明DSP的結構,如圖1所示.
由圖1可見DSP的結構特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應用,主要表現(xiàn)為:
改進的哈佛結構;流水線操作;采用硬件乘法器;快速的指令周期;TMS320LF2407A的時鐘頻率達到40MHz,即指令周期為25ns,運算能力為40MIPS(每秒百萬條指令).芯片有一套專門為數(shù)字信號處理而設計的指令系統(tǒng).指令集簡化了數(shù)字信號處理過程;優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路:從圖1可見在DSP芯片中集成了A/D轉(zhuǎn)換、大容量存儲器、定時器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數(shù)字I/O口、SPI、SCI、CAN,其中4個通用定時器和12個比較單元的結合能產(chǎn)生多達16路的PWM輸出,足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動.
此外,TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ?、硬件尋址控制以及多種節(jié)電模式等特有的性能,這些特性將有利于TMS320LF2407A在弧焊逆變電源控制中的應用.
控制系統(tǒng)組成與工作原理
根據(jù)單片機和DSP的各自優(yōu)勢,我們選擇了以單片機為上位機,DSP為下位機的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案,如圖2所示.
控制系統(tǒng)由單片機、DSP、鍵盤、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)組成,與以單片機為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡化了系統(tǒng)組成.
方案中的單片機采用Winbond公司的W77E58,DSP為TI公司的TMS320LF2407A.
在這一方案中單片機主要完成焊接程序控制和人機接口,因人機接口對速度要求是比較低的,對控制能力的要求較高,人機接口功能包括:焊接參數(shù)的給定及實時顯示.
DSP主要完成采樣信號的反饋運算及PWM脈沖序列的生成,DSP根據(jù)電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機提供的給定值在DSP內(nèi)部完成復雜的算術邏輯運算,輸出適當寬度的PWM脈沖信號,經(jīng)驅(qū)動放大后用于IGBT柵級驅(qū)動,以控制電源的輸出電流、電壓,實現(xiàn)弧焊逆變電源的控制.單片機和DSP之間的通信由SCI串行接口實現(xiàn).
控制系統(tǒng)重要組成部分基本工作原理分述如下:
電流反饋
本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測電流,由于TMS320LF240A的A/D輸入信號范圍為0~5V,因此,必須將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號,再經(jīng)放大濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換通道.
PWM輸出和功率驅(qū)動
TMS320LF240A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號,有從0~16ms的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出,可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件.功率驅(qū)動采用變壓器驅(qū)動.
保護功能
為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵級驅(qū)動電路安全可靠地工作,TMS320LF240A提供了PDPINT引腳,利用它可方便地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的過壓、過流、欠壓、過溫等保護功能.
各種故障信號經(jīng)光電隔離后輸入到PDPINT引腳,有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時PDPINT引腳被拉為低電平,此時DSP內(nèi)定時器立即停止計數(shù),所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài),現(xiàn)時產(chǎn)生中斷信號,通知CPU有異常情況發(fā)生.整個過程不需要程序干預,全部自動完成,這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用.
控制系統(tǒng)特點
基于DSP從以下各個方面改善了弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的技術指標:
設計方面
傳統(tǒng)的單片機弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多,元器件易受損,從而增加了維修和維護的工作量;而基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)元器件顯著減少.
速度方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機和DSP的優(yōu)勢,從而大大提高了控制系統(tǒng)的實時性.
精度、穩(wěn)定性方面
TMS320LF2407A為16位定點DSP,可以達到10-5的精度.消除了模擬系統(tǒng)中參數(shù)的容差、漂移導致的控制器參數(shù)的變化,穩(wěn)定性提高.
靈活性方面
基于DSP的控制系統(tǒng)靈活性好,參數(shù)容易改變,便于升級.設計工作主要集中在軟件上,通過編程可用同一塊控制板實現(xiàn)不同的焊接工藝控制.
控制算法實現(xiàn)方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)有望突破經(jīng)典控制方法,而采用更為先進的現(xiàn)代控制技術.
接口方面
基于DSP的控制系統(tǒng)與其它現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的,與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多.
結語
DSP技術的高速發(fā)展和DSP應用的普及,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的設計提供了一個很好的選擇.就目前的技術現(xiàn)狀,以單片機為上位機,負責焊接程序控制和人機接口,以DSP為下位機,負責焊接參數(shù)反饋運算和PWM波形的產(chǎn)生,是一種較好的解決方案.
這項技術在國內(nèi)剛剛起步,是一項前景廣闊的新技術,必將得到越來越廣泛的應用.■
參考文獻:
1. 黃石生. 新型弧焊電源及其智能控制 [M]. 北京: 機械工業(yè)再版社. 2000.
2. 張雄偉,曹鐵勇. DSP芯片的原理與開發(fā)應用(第2版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社. 2000.
3. 劉和平. TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社. 2002.
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圖1 TMS320LF2407A體系結構框圖
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圖2 基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)原理框圖
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文章之四
程控多功能三相功率源的設計
作者:沈陽電力高等?？茖W校 呂勇軍
前言
程控三相交流功率源的應用十分廣泛,它被大量應用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè).用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機軟啟動等工業(yè)自動化控制領域,還可以用于計量以及產(chǎn)品的性能試驗等方面.用于計量和產(chǎn)品試驗等領域的功率源對于其輸出波形要求較高,要求功率源輸出完整的正弦波信號,對于正弦波的失真度有一定的限制.目前此類交流功率源的實際輸出功率都很小,它們一般只強調(diào)單項指標,即電流或電壓輸出.而用于電能表計量時,其功率源輸出的不是真實的功率,而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來實現(xiàn)電能的計量.在某些產(chǎn)品的性能試驗或計量過程中需要產(chǎn)生實際的交流功率,且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨立調(diào)節(jié).目前的交流功率源都無法滿足要求,本文介紹的三相功率源就是為解決這個問題而設計的,它能輸出低失真度的正弦波信號,最大輸出功率200W,能實現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨立調(diào)整,能夠產(chǎn)生既不平衡又不對稱的功率信號.
硬件設計
整機原理
為滿足程控功率源的功能要求,本設計采用的是多CPU結構,由一個單片機作為控制單元,控制三個相互獨立的相信號發(fā)生器,產(chǎn)生三個互差120°的正弦電壓信號.每一相信號發(fā)生器都以一個單片機為核心,產(chǎn)生一個幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號,該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出.控制單元負責管理鍵盤、液晶顯示及串口通信,控制相信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號.控制單元通過I2C串行總線與各相信號發(fā)生器連接,并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù).圖1為整機原理框圖.
相信號發(fā)生器
相信號發(fā)生器的原理如圖2所示.單片機選用Cygnal公司推出的C8051F016,該單片機是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片.該系列單片機采用CIP-51內(nèi)核,指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容.它采用流水線結構,淡化了機器周期的概念,指令以時鐘周期為運行單位,因此大大地提高了指令運行的速度,最大速度可達25MIPS.
C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器,這是一個功能強大的ADC子系統(tǒng),它包括一個9通道的模擬多路開關、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準.該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器.
C8051F016還有兩個12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路.
正弦信號的產(chǎn)生
相信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號的基本思想是,利用單片機按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號,每次輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號的模擬信號,連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個模擬正弦波信號.一般情況,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF,就是說D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF.因此,可利用對參考電壓的控制來改變信號發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值.
DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器,用它和兩級放大器構成信號發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路,輸出雙極性的正弦波電壓信號.利用C8051F016單片機內(nèi)部的12位DAC輸出一個可變的直流控制電壓,為DAC0832提供參考電壓UREF,單片機根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設定值改變此控制電壓,則信號發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定.
交流參數(shù)測量
為保證輸出信號滿足設定要求,單片機還要實時測量本相信號發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值.C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS,本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測量,可充分利用單片機的資源.
對于該信號發(fā)生器輸出的電流和電壓進行交流采樣,將它們的信號進行相應的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1,單片機對它們進行交流采樣,每周期內(nèi)采樣點數(shù)均為500點,然后對這些采樣值進行計算,分別計算出電流和電壓的有效值.
除了測量交流電流和交流電壓,還要測量本信號發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號發(fā)生器輸出電壓的相位差,以保證三相電壓的對稱性.方法是利用單片機內(nèi)部的比較器對相鄰兩輸出電壓進行相位比較,測量出它們的相位差.測量時將兩相的輸出電壓取樣、整形,然后分別加到兩比較器的正端,由單片機進行判斷,計算出相位差.
功率放大器
功率放大器是對前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號進行功率放大,以滿足功率源輸出功率的要求.功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運算放大器OPA541,該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V,最大輸出電流10A.除了具有良好的功率輸出特性外,還具有使用方便、電路調(diào)試簡單等優(yōu)點.功率放大電路如圖3所示.
使用該芯片進行電路設計時應注意:
(1)輸出保護.當負載為感性時,由于電流的滯后會引起電壓的反沖尖峰,該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端,極易擊穿其輸出級.為保證功放管安全,應在其輸出端與電源之間并接高速快恢復二極管,其反向恢復時間小于100ns.
(2) 電流限制.為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi),應采用限流電阻進行限流,以防止電流過大,當電流超過設定的最大電流時,功放管就會自動保護,避免管子損壞.具體接法見圖3.限流電阻的選擇參照下式:
R=0.809/|IMAX|-0.057
式中IMAX為最大輸出電流.
(3) 消除耦合,抑制干擾.主要方法有:外殼接地,對功放管進行屏蔽,防止外部干擾.輸入與輸出回路隔離,消除由于耦合電容引起的正反饋.
控制單元
控制單元是本裝置的核心,負責人機對話,接受鍵盤信息和串口的程控命令,向各相信號發(fā)生器發(fā)出控制命令,包括電壓幅值和相位值的設定值等.
控制單元電路如圖4所示.CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機,它片內(nèi)帶有16Kflash存儲器,既可并行編程又可以串行編程.它采用先進的CMOS工藝的80C51內(nèi)核,指令集與80C51相同,但指令周期為6個時鐘周期,是傳統(tǒng)80C51的一半.內(nèi)部硬件結構比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計數(shù)器陣列、可編程時鐘輸出及Boot ROM等,使芯片功能更強大.顯示器選用清華蓬遠的點陣式液晶圖形顯示模塊M-12864.該模塊內(nèi)藏點陣圖形顯示控制器,提供了行、列驅(qū)動器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口,與單片機的接口十分方便,可顯示中文、西文及圖形等.8279是通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片,它能管理64鍵的鍵盤,自動掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼,且易于接口.
軟件設計
在軟件設計時,分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進行.其程序設計基本方法相同,都是先實現(xiàn)一個簡練的主程序,然后在此基礎上,把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊.根據(jù)模塊各自的特點,或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度,或者在響應中斷后執(zhí)行,最后完成整個軟件系統(tǒng)的功能.
信號發(fā)生器主要軟件模塊有:
(1)系統(tǒng)自整定模塊:其功能是完成系統(tǒng)的自動整定,包括整機硬件設備的自檢、自診斷等.
(2)正弦信號發(fā)生模塊:將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲器當中,CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設定值計算出正弦信號的周期,再計算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長,按此步長周期性地輸出正弦數(shù)據(jù).根據(jù)設定的輸出電壓的幅值,計算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值,由單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出.
(3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊:主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號的采樣并計算出其相應的真有效值.測量相鄰兩相電壓之間的相位差.
(4)計算和調(diào)整模塊:根據(jù)控制單元設定的電壓及相鄰電壓相位差,計算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長值,使輸出達到設定值.
控制單元主要軟件模塊有:
(1)鍵盤處理模塊和液晶顯示模塊:鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能,并在確認有效按鍵后調(diào)用相應按鍵功能函數(shù)進行處理.顯示模塊則負責管理各級菜單,顯示參數(shù)的設定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容.
(2) RS485通信模塊:完成異步串行口RS485接口管理功能,負責接收來自遠程控制命令.
(3) I2C通信模塊: 完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理.負責發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令,接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號.
主要技術指標
該三相交流功率源的主要技術指標如下:
● 輸出相電壓范圍 0~220V
● 輸出相電流范圍 0~7A
● 輸出頻率范圍 40~60Hz
● 每相最大輸出功率 200W
● 電壓、電流調(diào)節(jié)步長 0.5%
● 輸出電壓、電流精度≤0.5%
● 輸出頻率精度 ≤0.1Hz
● 輸出正弦波波形失真度≤0.8%
結語
程控三相交流功率源在結構上采用了基于I2C串行總線的多CPU結構,使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性.在單片機的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強大的單片機,大大地簡化了裝置的硬件設計.選擇單片大功率集成運算放大器作為裝置的功率放大,可以簡化功放電路的設計與調(diào)試,并使它的性能指標得到提高.總之,程控三相交流功率源具有各相分別程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強大的功能,又有操作方便、工作可靠等特點.它將給一些產(chǎn)品試驗以及計量領域提供極其方便的試驗設備和條件,并解決了某些難以解決的問題.■
參考文獻:
1．潘琢金,施國君 編著, C8051Fxxx 高速SOC單片及原理及應用,北京航空航天大學出版社 2002年.
2． PHILIPS最新80C51系列單片機數(shù)據(jù)手冊,廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.
3．BURR-BROWN IC DATABOOK,LINER PRODUCTS, 1995.
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圖1 整機框圖
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圖2 相信號發(fā)生器
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圖3 功放原理圖
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圖4 控制單元原理圖
程控多功能三相功率源的設計
作者:沈陽電力高等?？茖W校 呂勇軍
前言
程控三相交流功率源的應用十分廣泛,它被大量應用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè).用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機軟啟動等工業(yè)自動化控制領域,還可以用于計量以及產(chǎn)品的性能試驗等方面.用于計量和產(chǎn)品試驗等領域的功率源對于其輸出波形要求較高,要求功率源輸出完整的正弦波信號,對于正弦波的失真度有一定的限制.目前此類交流功率源的實際輸出功率都很小,它們一般只強調(diào)單項指標,即電流或電壓輸出.而用于電能表計量時,其功率源輸出的不是真實的功率,而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來實現(xiàn)電能的計量.在某些產(chǎn)品的性能試驗或計量過程中需要產(chǎn)生實際的交流功率,且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨立調(diào)節(jié).目前的交流功率源都無法滿足要求,本文介紹的三相功率源就是為解決這個問題而設計的,它能輸出低失真度的正弦波信號,最大輸出功率200W,能實現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨立調(diào)整,能夠產(chǎn)生既不平衡又不對稱的功率信號.
硬件設計
整機原理
為滿足程控功率源的功能要求,本設計采用的是多CPU結構,由一個單片機作為控制單元,控制三個相互獨立的相信號發(fā)生器,產(chǎn)生三個互差120°的正弦電壓信號.每一相信號發(fā)生器都以一個單片機為核心,產(chǎn)生一個幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號,該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出.控制單元負責管理鍵盤、液晶顯示及串口通信,控制相信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號.控制單元通過I2C串行總線與各相信號發(fā)生器連接,并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù).圖1為整機原理框圖.
相信號發(fā)生器
相信號發(fā)生器的原理如圖2所示.單片機選用Cygnal公司推出的C8051F016,該單片機是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片.該系列單片機采用CIP-51內(nèi)核,指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容.它采用流水線結構,淡化了機器周期的概念,指令以時鐘周期為運行單位,因此大大地提高了指令運行的速度,最大速度可達25MIPS.
C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器,這是一個功能強大的ADC子系統(tǒng),它包括一個9通道的模擬多路開關、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準.該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器.
C8051F016還有兩個12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路.
正弦信號的產(chǎn)生
相信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號的基本思想是,利用單片機按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號,每次輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號的模擬信號,連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個模擬正弦波信號.一般情況,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF,就是說D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF.因此,可利用對參考電壓的控制來改變信號發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值.
DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器,用它和兩級放大器構成信號發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路,輸出雙極性的正弦波電壓信號.利用C8051F016單片機內(nèi)部的12位DAC輸出一個可變的直流控制電壓,為DAC0832提供參考電壓UREF,單片機根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設定值改變此控制電壓,則信號發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定.
交流參數(shù)測量
為保證輸出信號滿足設定要求,單片機還要實時測量本相信號發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值.C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS,本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測量,可充分利用單片機的資源.
對于該信號發(fā)生器輸出的電流和電壓進行交流采樣,將它們的信號進行相應的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1,單片機對它們進行交流采樣,每周期內(nèi)采樣點數(shù)均為500點,然后對這些采樣值進行計算,分別計算出電流和電壓的有效值.
除了測量交流電流和交流電壓,還要測量本信號發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號發(fā)生器輸出電壓的相位差,以保證三相電壓的對稱性.方法是利用單片機內(nèi)部的比較器對相鄰兩輸出電壓進行相位比較,測量出它們的相位差.測量時將兩相的輸出電壓取樣、整形,然后分別加到兩比較器的正端,由單片機進行判斷,計算出相位差.
功率放大器
功率放大器是對前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號進行功率放大,以滿足功率源輸出功率的要求.功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運算放大器OPA541,該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V,最大輸出電流10A.除了具有良好的功率輸出特性外,還具有使用方便、電路調(diào)試簡單等優(yōu)點.功率放大電路如圖3所示.
使用該芯片進行電路設計時應注意:
(1)輸出保護.當負載為感性時,由于電流的滯后會引起電壓的反沖尖峰,該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端,極易擊穿其輸出級.為保證功放管安全,應在其輸出端與電源之間并接高速快恢復二極管,其反向恢復時間小于100ns.
(2) 電流限制.為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi),應采用限流電阻進行限流,以防止電流過大,當電流超過設定的最大電流時,功放管就會自動保護,避免管子損壞.具體接法見圖3.限流電阻的選擇參照下式:
R=0.809/|IMAX|-0.057
式中IMAX為最大輸出電流.
(3) 消除耦合,抑制干擾.主要方法有:外殼接地,對功放管進行屏蔽,防止外部干擾.輸入與輸出回路隔離,消除由于耦合電容引起的正反饋.
控制單元
控制單元是本裝置的核心,負責人機對話,接受鍵盤信息和串口的程控命令,向各相信號發(fā)生器發(fā)出控制命令,包括電壓幅值和相位值的設定值等.
控制單元電路如圖4所示.CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機,它片內(nèi)帶有16Kflash存儲器,既可并行編程又可以串行編程.它采用先進的CMOS工藝的80C51內(nèi)核,指令集與80C51相同,但指令周期為6個時鐘周期,是傳統(tǒng)80C51的一半.內(nèi)部硬件結構比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計數(shù)器陣列、可編程時鐘輸出及Boot ROM等,使芯片功能更強大.顯示器選用清華蓬遠的點陣式液晶圖形顯示模塊M-12864.該模塊內(nèi)藏點陣圖形顯示控制器,提供了行、列驅(qū)動器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口,與單片機的接口十分方便,可顯示中文、西文及圖形等.8279是通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片,它能管理64鍵的鍵盤,自動掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼,且易于接口.
軟件設計
在軟件設計時,分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進行.其程序設計基本方法相同,都是先實現(xiàn)一個簡練的主程序,然后在此基礎上,把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊.根據(jù)模塊各自的特點,或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度,或者在響應中斷后執(zhí)行,最后完成整個軟件系統(tǒng)的功能.
信號發(fā)生器主要軟件模塊有:
(1)系統(tǒng)自整定模塊:其功能是完成系統(tǒng)的自動整定,包括整機硬件設備的自檢、自診斷等.
(2)正弦信號發(fā)生模塊:將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲器當中,CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設定值計算出正弦信號的周期,再計算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長,按此步長周期性地輸出正弦數(shù)據(jù).根據(jù)設定的輸出電壓的幅值,計算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值,由單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出.
(3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊:主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號的采樣并計算出其相應的真有效值.測量相鄰兩相電壓之間的相位差.
(4)計算和調(diào)整模塊:根據(jù)控制單元設定的電壓及相鄰電壓相位差,計算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長值,使輸出達到設定值.
控制單元主要軟件模塊有:
(1)鍵盤處理模塊和液晶顯示模塊:鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能,并在確認有效按鍵后調(diào)用相應按鍵功能函數(shù)進行處理.顯示模塊則負責管理各級菜單,顯示參數(shù)的設定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容.
(2) RS485通信模塊:完成異步串行口RS485接口管理功能,負責接收來自遠程控制命令.
(3) I2C通信模塊: 完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理.負責發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令,接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號.
主要技術指標
該三相交流功率源的主要技術指標如下:
● 輸出相電壓范圍 0~220V
● 輸出相電流范圍 0~7A
● 輸出頻率范圍 40~60Hz
● 每相最大輸出功率 200W
● 電壓、電流調(diào)節(jié)步長 0.5%
● 輸出電壓、電流精度≤0.5%
● 輸出頻率精度 ≤0.1Hz
● 輸出正弦波波形失真度≤0.8%
結語
程控三相交流功率源在結構上采用了基于I2C串行總線的多CPU結構,使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性.在單片機的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強大的單片機,大大地簡化了裝置的硬件設計.選擇單片大功率集成運算放大器作為裝置的功率放大,可以簡化功放電路的設計與調(diào)試,并使它的性能指標得到提高.總之,程控三相交流功率源具有各相分別程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強大的功能,又有操作方便、工作可靠等特點.它將給一些產(chǎn)品試驗以及計量領域提供極其方便的試驗設備和條件,并解決了某些難以解決的問題.■
參考文獻:
1．潘琢金,施國君 編著, C8051Fxxx 高速SOC單片及原理及應用,北京航空航天大學出版社 2002年.
2． PHILIPS最新80C51系列單片機數(shù)據(jù)手冊,廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.
3．BURR-BROWN IC DATABOOK,LINER PRODUCTS, 1995.
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圖1 整機框圖
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圖2 相信號發(fā)生器
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圖3 功放原理圖
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圖4 控制單元原理圖
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文章之四程控多功能三相功率源的設計作者:沈陽電力高等專科學校呂勇軍前言程控三相交流功率源的應用十分廣泛,它被大量應用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè).用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機軟啟動等工業(yè)自動化控制領域,還可以用于計量以及產(chǎn)品的性能試驗等方面.用于計量和產(chǎn)品試驗等領域的功率源對于其輸出波形要求較高,要求功率源輸出完整的正弦波信號,對于正弦波的失真度有一定的限制.目前此類交流功率源的實際輸出功率都很小,它們一般只強調(diào)單項指標,即電流或電壓輸出.而用于電能表計量時,其功率源輸出的不是真實的功率,而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來實現(xiàn)電能的計量.在某些產(chǎn)品的性能試驗或計量過程中需要產(chǎn)生實際的交流功率,且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨立調(diào)節(jié).目前的交流功率源都無法滿足要求,本文介紹的三相功率源就是為解決這個問題而設計的,它能輸出低失真度的正弦波信號,最大輸出功率200W,能實現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨立調(diào)整,能夠產(chǎn)生既不平衡又不對稱的功率信號.硬件設計整機原理為滿足程控功率源的功能要求,本設計采用的是多CPU結構,由一個單片機作為控制單元,控制三個相互獨立的相信號發(fā)生器,產(chǎn)生三個互差120°的正弦電壓信號.每一相信號發(fā)生器都以一個單片機為核心,產(chǎn)生一個幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號,該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出.控制單元負責管理鍵盤、液晶顯示及串口通信,控制相信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號.控制單元通過I2C串行總線與各相信號發(fā)生器連接,并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù).圖1為整機原理框圖.相信號發(fā)生器相信號發(fā)生器的原理如圖2所示.單片機選用Cygnal公司推出的C8051F016,該單片機是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片.該系列單片機采用CIP-51內(nèi)核,指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容.它采用流水線結構,淡化了機器周期的概念,指令以時鐘周期為運行單位,因此大大地提高了指令運行的速度,最大速度可達25MIPS.C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器,這是一個功能強大的ADC子系統(tǒng),它包括一個9通道的模擬多路開關、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準.該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器.C8051F016還有兩個12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路.正弦信號的產(chǎn)生相信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號的基本思想是,利用單片機按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號,每次輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號的模擬信號,連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個模擬正弦波信號.一般情況,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF,就是說D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF.因此,可利用對參考電壓的控制來改變信號發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值.DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器,用它和兩級放大器構成信號發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路,輸出雙極性的正弦波電壓信號.利用C8051F016單片機內(nèi)部的12位DAC輸出一個可變的直流控制電壓,為DAC0832提供參考電壓UREF,單片機根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設定值改變此控制電壓,則信號發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定.交流參數(shù)測量為保證輸出信號滿足設定要求,單片機還要實時測量本相信號發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值.C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS,本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測量,可充分利用單片機的資源.對于該信號發(fā)生器輸出的電流和電壓進行交流采樣,將它們的信號進行相應的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1,單片機對它們進行交流采樣,每周期內(nèi)采樣點數(shù)均為500點,然后對這些采樣值進行計算,分別計算出電流和電壓的有效值.除了測量交流電流和交流電壓,還要測量本信號發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號發(fā)生器輸出電壓的相位差,以保證三相電壓的對稱性.方法是利用單片機內(nèi)部的比較器對相鄰兩輸出電壓進行相位比較,測量出它們的相位差.測量時將兩相的輸出電壓取樣、整形,然后分別加到兩比較器的正端,由單片機進行判斷,計算出相位差.功率放大器功率放大器是對前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號進行功率放大,以滿足功率源輸出功率的要求.功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運算放大器OPA541,該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V,最大輸出電流10A.除了具有良好的功率輸出特性外,還具有使用方便、電路調(diào)試簡單等優(yōu)點.功率放大電路如圖3所示.使用該芯片進行電路設計時應注意:(1)輸出保護.當負載為感性時,由于電流的滯后會引起電壓的反沖尖峰,該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端,極易擊穿其輸出級.為保證功放管安全,應在其輸出端與電源之間并接高速快恢復二極管,其反向恢復時間小于100ns.(2)電流限制.為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi),應采用限流電阻進行限流,以防止電流過大,當電流超過設定的最大電流時,功放管就會自動保護,避免管子損壞.具體接法見圖3.限流電阻的選擇參照下式:R=0.809/|IMAX|-0.057式中IMAX為最大輸出電流.(3)消除耦合,抑制干擾.主要方法有:外殼接地,對功放管進行屏蔽,防止外部干擾.輸入與輸出回路隔離,消除由于耦合電容引起的正反饋.控制單元控制單元是本裝置的核心,負責人機對話,接受鍵盤信息和串口的程控命令,向各相信號發(fā)生器發(fā)出控制命令,包括電壓幅值和相位值的設定值等.控制單元電路如圖4所示.CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機,它片內(nèi)帶有16Kflash存儲器,既可并行編程又可以串行編程.它采用先進的CMOS工藝的80C51內(nèi)核,指令集與80C51相同,但指令周期為6個時鐘周期,是傳統(tǒng)80C51的一半.內(nèi)部硬件結構比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計數(shù)器陣列、可編程時鐘輸出及BootROM等,使芯片功能更強大.顯示器選用清華蓬遠的點陣式液晶圖形顯示模塊M-12864.該模塊內(nèi)藏點陣圖形顯示控制器,提供了行、列驅(qū)動器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口,與單片機的接口十分方便,可顯示中文、西文及圖形等.8279是通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片,它能管理64鍵的鍵盤,自動掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼,且易于接口.軟件設計在軟件設計時,分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進行.其程序設計基本方法相同,都是先實現(xiàn)一個簡練的主程序,然后在此基礎上,把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊.根據(jù)模塊各自的特點,或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度,或者在響應中斷后執(zhí)行,最后完成整個軟件系統(tǒng)的功能.信號發(fā)生器主要軟件模塊有:(1)系統(tǒng)自整定模塊:其功能是完成系統(tǒng)的自動整定,包括整機硬件設備的自檢、自診斷等.(2)正弦信號發(fā)生模塊:將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲器當中,CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設定值計算出正弦信號的周期,再計算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長,按此步長周期性地輸出正弦數(shù)據(jù).根據(jù)設定的輸出電壓的幅值,計算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值,由單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出.(3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊:主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號的采樣并計算出其相應的真有效值.測量相鄰兩相電壓之間的相位差.(4)計算和調(diào)整模塊:根據(jù)控制單元設定的電壓及相鄰電壓相位差,計算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長值,使輸出達到設定值.控制單元主要軟件模塊有:(1)鍵盤處理模塊和液晶顯示模塊:鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能,并在確認有效按鍵后調(diào)用相應按鍵功能函數(shù)進行處理.顯示模塊則負責管理各級菜單,顯示參數(shù)的設定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容.(2)RS485通信模塊:完成異步串行口RS485接口管理功能,負責接收來自遠程控制命令.(3)I2C通信模塊:完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理.負責發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令,接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號.主要技術指標該三相交流功率源的主要技術指標如下:●輸出相電壓范圍0~220V●輸出相電流范圍0~7A●輸出頻率范圍40~60Hz●每相最大輸出功率200W●電壓、電流調(diào)節(jié)步長0.5%●輸出電壓、電流精度≤0.5%●輸出頻率精度≤0.1Hz●輸出正弦波波形失真度≤0.8%結語程控三相交流功率源在結構上采用了基于I2C串行總線的多CPU結構,使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性.在單片機的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強大的單片機,大大地簡化了裝置的硬件設計.選擇單片大功率集成運算放大器作為裝置的功率放大,可以簡化功放電路的設計與調(diào)試,并使它的性能指標得到提高.總之,程控三相交流功率源具有各相分別程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強大的功能,又有操作方便、工作可靠等特點.它將給一些產(chǎn)品試驗以及計量領域提供極其方便的試驗設備和條件,并解決了某些難以解決的問題.■參考文獻:1．潘琢金,施國君編著,C8051Fxxx高速SOC單片及原理及應用,北京航空航天大學出版社2002年.2．PHILIPS最新80C51系列單片機數(shù)據(jù)手冊,廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.3．BURR-BROWNICDATABOOK,LINERPRODUCTS,1995.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104389416.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖1整機框圖[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104389428.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖2相信號發(fā)生器[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104389439.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖3功放原理圖[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104389447.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖4控制單元原理圖
沒想到還有文章看,全都保存了!
謝謝樓主!
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文章之四程控多功能三相功率源的設計作者:沈陽電力高等?？茖W校呂勇軍前言程控三相交流功率源的應用十分廣泛,它被大量應用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè).用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機軟啟動等工業(yè)自動化控制領域,還可以用于計量以及產(chǎn)品的性能試驗等方面.用于計量和產(chǎn)品試驗等領域的功率源對于其輸出波形要求較高,要求功率源輸出完整的正弦波信號,對于正弦波的失真度有一定的限制.目前此類交流功率源的實際輸出功率都很小,它們一般只強調(diào)單項指標,即電流或電壓輸出.而用于電能表計量時,其功率源輸出的不是真實的功率,而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來實現(xiàn)電能的計量.在某些產(chǎn)品的性能試驗或計量過程中需要產(chǎn)生實際的交流功率,且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨立調(diào)節(jié).目前的交流功率源都無法滿足要求,本文介紹的三相功率源就是為解決這個問題而設計的,它能輸出低失真度的正弦波信號,最大輸出功率200W,能實現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨立調(diào)整,能夠產(chǎn)生既不平衡又不對稱的功率信號.硬件設計整機原理為滿足程控功率源的功能要求,本設計采用的是多CPU結構,由一個單片機作為控制單元,控制三個相互獨立的相信號發(fā)生器,產(chǎn)生三個互差120°的正弦電壓信號.每一相信號發(fā)生器都以一個單片機為核心,產(chǎn)生一個幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號,該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出.控制單元負責管理鍵盤、液晶顯示及串口通信,控制相信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號.控制單元通過I2C串行總線與各相信號發(fā)生器連接,并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù).圖1為整機原理框圖.相信號發(fā)生器相信號發(fā)生器的原理如圖2所示.單片機選用Cygnal公司推出的C8051F016,該單片機是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片.該系列單片機采用CIP-51內(nèi)核,指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容.它采用流水線結構,淡化了機器周期的概念,指令以時鐘周期為運行單位,因此大大地提高了指令運行的速度,最大速度可達25MIPS.C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器,這是一個功能強大的ADC子系統(tǒng),它包括一個9通道的模擬多路開關、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準.該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器.C8051F016還有兩個12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路.正弦信號的產(chǎn)生相信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號的基本思想是,利用單片機按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號,每次輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號的模擬信號,連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個模擬正弦波信號.一般情況,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF,就是說D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF.因此,可利用對參考電壓的控制來改變信號發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值.DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器,用它和兩級放大器構成信號發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路,輸出雙極性的正弦波電壓信號.利用C8051F016單片機內(nèi)部的12位DAC輸出一個可變的直流控制電壓,為DAC0832提供參考電壓UREF,單片機根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設定值改變此控制電壓,則信號發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定.交流參數(shù)測量為保證輸出信號滿足設定要求,單片機還要實時測量本相信號發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值.C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS,本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測量,可充分利用單片機的資源.對于該信號發(fā)生器輸出的電流和電壓進行交流采樣,將它們的信號進行相應的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1,單片機對它們進行交流采樣,每周期內(nèi)采樣點數(shù)均為500點,然后對這些采樣值進行計算,分別計算出電流和電壓的有效值.除了測量交流電流和交流電壓,還要測量本信號發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號發(fā)生器輸出電壓的相位差,以保證三相電壓的對稱性.方法是利用單片機內(nèi)部的比較器對相鄰兩輸出電壓進行相位比較,測量出它們的相位差.測量時將兩相的輸出電壓取樣、整形,然后分別加到兩比較器的正端,由單片機進行判斷,計算出相位差.功率放大器功率放大器是對前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號進行功率放大,以滿足功率源輸出功率的要求.功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運算放大器OPA541,該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V,最大輸出電流10A.除了具有良好的功率輸出特性外,還具有使用方便、電路調(diào)試簡單等優(yōu)點.功率放大電路如圖3所示.使用該芯片進行電路設計時應注意:(1)輸出保護.當負載為感性時,由于電流的滯后會引起電壓的反沖尖峰,該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端,極易擊穿其輸出級.為保證功放管安全,應在其輸出端與電源之間并接高速快恢復二極管,其反向恢復時間小于100ns.(2)電流限制.為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi),應采用限流電阻進行限流,以防止電流過大,當電流超過設定的最大電流時,功放管就會自動保護,避免管子損壞.具體接法見圖3.限流電阻的選擇參照下式:R=0.809/|IMAX|-0.057式中IMAX為最大輸出電流.(3)消除耦合,抑制干擾.主要方法有:外殼接地,對功放管進行屏蔽,防止外部干擾.輸入與輸出回路隔離,消除由于耦合電容引起的正反饋.控制單元控制單元是本裝置的核心,負責人機對話,接受鍵盤信息和串口的程控命令,向各相信號發(fā)生器發(fā)出控制命令,包括電壓幅值和相位值的設定值等.控制單元電路如圖4所示.CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機,它片內(nèi)帶有16Kflash存儲器,既可并行編程又可以串行編程.它采用先進的CMOS工藝的80C51內(nèi)核,指令集與80C51相同,但指令周期為6個時鐘周期,是傳統(tǒng)80C51的一半.內(nèi)部硬件結構比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計數(shù)器陣列、可編程時鐘輸出及BootROM等,使芯片功能更強大.顯示器選用清華蓬遠的點陣式液晶圖形顯示模塊M-12864.該模塊內(nèi)藏點陣圖形顯示控制器,提供了行、列驅(qū)動器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口,與單片機的接口十分方便,可顯示中文、西文及圖形等.8279是通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片,它能管理64鍵的鍵盤,自動掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼,且易于接口.軟件設計在軟件設計時,分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進行.其程序設計基本方法相同,都是先實現(xiàn)一個簡練的主程序,然后在此基礎上,把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊.根據(jù)模塊各自的特點,或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度,或者在響應中斷后執(zhí)行,最后完成整個軟件系統(tǒng)的功能.信號發(fā)生器主要軟件模塊有:(1)系統(tǒng)自整定模塊:其功能是完成系統(tǒng)的自動整定,包括整機硬件設備的自檢、自診斷等.(2)正弦信號發(fā)生模塊:將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲器當中,CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設定值計算出正弦信號的周期,再計算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長,按此步長周期性地輸出正弦數(shù)據(jù).根據(jù)設定的輸出電壓的幅值,計算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值,由單片機內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出.(3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊:主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號的采樣并計算出其相應的真有效值.測量相鄰兩相電壓之間的相位差.(4)計算和調(diào)整模塊:根據(jù)控制單元設定的電壓及相鄰電壓相位差,計算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長值,使輸出達到設定值.控制單元主要軟件模塊有:(1)鍵盤處理模塊和液晶顯示模塊:鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能,并在確認有效按鍵后調(diào)用相應按鍵功能函數(shù)進行處理.顯示模塊則負責管理各級菜單,顯示參數(shù)的設定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容.(2)RS485通信模塊:完成異步串行口RS485接口管理功能,負責接收來自遠程控制命令.(3)I2C通信模塊:完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理.負責發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令,接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號.主要技術指標該三相交流功率源的主要技術指標如下:●輸出相電壓范圍0~220V●輸出相電流范圍0~7A●輸出頻率范圍40~60Hz●每相最大輸出功率200W●電壓、電流調(diào)節(jié)步長0.5%●輸出電壓、電流精度≤0.5%●輸出頻率精度≤0.1Hz●輸出正弦波波形失真度≤0.8%結語程控三相交流功率源在結構上采用了基于I2C串行總線的多CPU結構,使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性.在單片機的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強大的單片機,大大地簡化了裝置的硬件設計.選擇單片大功率集成運算放大器作為裝置的功率放大,可以簡化功放電路的設計與調(diào)試,并使它的性能指標得到提高.總之,程控三相交流功率源具有各相分別程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強大的功能,又有操作方便、工作可靠等特點.它將給一些產(chǎn)品試驗以及計量領域提供極其方便的試驗設備和條件,并解決了某些難以解決的問題.■參考文獻:1．潘琢金,施國君編著,C8051Fxxx高速SOC單片及原理及應用,北京航空航天大學出版社2002年.2．PHILIPS最新80C51系列單片機數(shù)據(jù)手冊,廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.3．BURR-BROWNICDATABOOK,LINERPRODUCTS,1995.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/24/1104389416.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">圖1整機框圖[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可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