基于模糊PID算法控制的开关电源的研制

史　旭　傅　强　宗丽莉　苏桂国

（1.河海大学机电工程学院　常州　213022）（2.江苏宏微科技股份有限公司　常州　213022）

1　引言

随着通讯、计算机行业的迅速发展，各种用电设备越来越多，然而这些设备多采用不可控整流的方式，从而导致输入谐波电流大，功率因素较低，进而影响附近设备的正常运行，同时大功率的应用场合对电源的功率开关管的频率和耐压提出了更高的要求。在拓扑一定的情况下，系统的稳定性主要是由控制环节来决定的。而开关功率器件的切换会使系统呈变结构特性，为了提高变换器的性能，需要寻求一种新的非线性控制策略。目前，研究合适的电路拓扑结构和控制策略来提高电源的精确性已经成为研究热点。

性能优良的驱动和保护电路是保证开关电源高效、可靠运行的必要条件。在空间限制的应用场合下，集成功率模块把驱动电路集成在模块内部，从而减小整体电路的体积。目前还存在的电路复杂，外围电路多、体积大等缺点，不利于实现高功率密度的问题［1～2］，对驱动电路的设计提出了更高的要求。

本设计采用三电平Buck变换器结构拓扑［3］，有效地减小了开关管承受的电压值和开关损耗。基于AVR16单片机为控制核心，采用模糊PID控制方法［4］，同时利用FOD3182设计了一种驱动电路，具有外围电路少、工作可靠、成本低等优点，通过实际电路测试观察栅极驱动波形、输出电压波形，验证本设计的可靠性和实用性。

2　硬件设计与选型

2.1　系统总体框图

系统总体框图如图1所示，其中Atmega16单片机作为控制核心，通过主电路的采样值进行A/D转换，再通过模糊PID控制算法经由数字PWM模块产生相应的PWM控制信号，最后通过FOD3182驱动电路推挽放大PWM信号的电压去控制主电路的功率开关管的导通。外部中断主要由短路保护和过流检测保护。人机交互主要由数码管和键盘完成，主要用来观察输出电压值。

图1　系统总体框图

2.2　主电路设计

针对大功率应用场合，本开关电源设计的主电路采用三电平Buck变换器基本拓扑，能够减半开关管承受的电压应力，减小电源体积，有利于实现系统集成化。其基本示意图如图2所示。

图2　主电路拓扑结构

2.3 核心MCU选型

单片机选择Atmega16，性价比较高，具有多路A/D采样通道和PWM信号输出通道。接口丰富，完全能够满足试验及设计要求。本设计能够在最大程度上充分利用Atmega16单片机的I/O口，有利于实现高功率密度技术。Atmega16单片机的最小系统如图2所示。

图3　Atmega16芯片

2.4　仿真器选型

调试方面选用JTAG仿真模块，主要作用有

1）测试芯片的电气特性，检查芯片是否有问题；

2）用于Debug，能够对芯片及外围设备进行调试。

本次设计主要利用JTAG仿真模块的Debug功能，便于在线调试。

图4　AVRJTAG仿真器

2.5　驱动电路芯片选型

考虑到驱动功率要求及驱动保护，本设计采用FOD3182驱动芯片，FOD3182是FAIRCHILD公司生产的一种高速MOSFET门极驱动光耦合器，其内部集成光电隔离保护和推挽放大电路，大大减少了外部元器件的使用，有利于实现控制系统的高功率密度技术。FOD3182的最大驱动电流可达3A，开关速度延迟最大210ns，最大驱动频率可达250kHz且驱动隔离电压可达1414V，满足设计要求。

图5　FOD3182芯片

2.6　数码管及驱动芯片选型

普通的数码管显示电路足以满足设计要求，本次设计选用SM320561K-12P数码管，数码管驱动芯片选用CH451S合适，使用方便，接口简单。

图6　CH451S芯片

图7　数码管电路

3　软件设计

3.1　主程序设计

主程序中设计包括：系统初始化，中断矢量配置，IO口初始化，ADC采样程序初始化，事件管理器初始化，配置中断入口地址，使能中断，开始循环等待中断，主控制程序框图如图8所示。

图8　主程序流程图

3.2　ADC采样程序

ADC采样程序包括：ADC采样初始化，使能中断，配置ADC模块和事件EVA，通过运算变换，换算成实际采样值。

图9　ADC采样流程图

3.3　驱动信号发生子程序

PWM信号发生子程序的设计过程如下所示：首先确定PWM驱动信号的频率及占空比，设定当前参考值为r（k），采样值为j（k），依据两者误差e（k）及偏差的变化率ec（k）设定模糊规则，整定出PID参数的调节量［5］。其流程框图如图10所示。

3.4　数码管显示子程序

数码管显示子程序主要用来循环发送和接收数据信息，在程序启动后进行相应的显示初始化，中断定时器的初始配置及驱动芯片模块配置。

4　试验

采用型号为STW 26NM60（600V/30A）搭建的三电平Buck变换器样机作为试验平台，以输入500V输出200V为试验条件，基于AVR16芯片产生输出频率为50kHz的PWM驱动信号，通过FOD3182驱动芯片直接放大为高电平为+15V，低电平为0V的驱动信号，符合驱动设计要求，其示意图如图7所示。

图10　驱动信号发生流程图

图11　数码管电路显示流程图

图12中，栅极驱动波形和三电平Buck变换器样机工作原理是相符合的，满足驱动要求。图13（a）和13（b）分别是有无采用模糊PID的输出电压示意图，可以明显看出采用模糊PI控制算法后的输出的电源电压精度更高。

图12　驱动信号

图13　输出电压波形

5　结语

本文基于三电平Buck变换器的基本拓扑结构设计了一款开关电源，采用模糊PID控制算法有效地提高了输出电源电压的精度，也大大减小了电源的体积，向着开关电源的小型化方向发展。由FOD3182驱动芯片设计的小体积的驱动电路具有外围器件较少、设计成本低、可靠性高的特点，其产生的驱动信号满足设计要求。在保证可靠性的基础上，元器件可选用贴片式，能最大限度的缩小电路的体积，进一步提高集成功率模块的空间利用率，最后在试验中验证了本开关电源设计的有效性及模糊PID控制算法的精确性，具有一定的实用价值。其中，低成本，高功率密度是本开关电源设计的目的所在。

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