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基于ARM7内核LPC2119芯片杀青双向DCDC变换器的策画

作者:admin 发布时间:2021-09-25 浏览次数:71

  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。

  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。

  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。

  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(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:

  在装置的实际工作当中,若负载为铅酸蓄电池,则当能量正向流动(充电)时,系统可根据需要分别应用电压闭环或电流闭环来控制装置的输出电压和输出电流。电压、电流闭环采用的就是本文所述的增量式PI算法;当能量反向流动时,出于实际应用的需要,系统只对负载(蓄电池)侧进行恒流控制。

  本文提出的主电路拓扑如图2所示,主要包括:电源输入侧滤波电容C1;主开关管S1以及由R1、C2、D2组成的S1的SNUBBER电路;变压器T以及为其原边进行磁复位的第三绕组和为其副边进行磁复位的由R2、C3、D3组成的钳位电路;整流管S2、续流管S3和输出滤波环节L及C4等几部分。

  为便于分析,假设此时负载为一只蓄电池。电路控制能量正向流动时,主电路每周期的工作总的来说可分为两个阶段,即正向流动阶段和续流阶段。但为了防止整流管S2和续流管S3同时导通造成变压器副边的贯穿短路,两管的互补脉冲需要加入死区,因而最终电路的工作过程可分为4部分。主管S1、整流管S2、续流管S3的驱动信号如图3所示,图3中的l至4即分别对应了电路工作的4个阶段。

  当能量正向流动时,若输出电流流过管压降较大的M0S管寄生体二极管,则会带来很大的整流损耗和续流损耗。为此,我们应用了同步整流技术,使电流流过导通电阻只有6mΩ的MOS管,大大地减小了损耗、提高了效率。以下便是能量正向流动时4个工作阶段的详细分析。

  阶段l(能量正向流动) 此阶段开始时,主管S1和整流管S2被触发导通。输入电流流入变压器原边绕组的同名端,输出电流流出变压器次边绕组的同名端。此时能量由输入侧向负载侧传输的方式同传统的单端正激变换器基本一致,其电流流向如图4(a)中所示。图4(a)中的i1代表变压器原边电流,i2代表变压器副边电流(下同)。此过程直到主管关断时才会结束。

  阶段2(死区时间1) 此阶段刚开始时,主管S2和整流管S2关断,续流管S3仍未导通但其体二极管已经导通。由于变压器漏感的限制,变压器副边的电流由输出电流逐渐减小,而流过续流管体二极管的电流则由零开始逐渐增大。在此阶段中,输出电流在由整流回路向续流回路转换。此过程电流方向如图4(b)中所示。图(b)中的i2a、i2b分别表示负载电流流经整流管和续流管的两部分。

  阶段3(续流阶段) 在此阶段开始时,续流管S3被触发导通,所以输出电流主要经由S3续流,因而损耗大为降低。此阶段将持续到续流管S3关断时才会结束,其电流流向如图4(c)所示。

  阶段4(死区时间2) 此阶段刚开始时,续流管S3关断,但其体二极管仍导通续流。输出电流完全经由续流管的体二极管进行续流。此阶段直至主管导通以后才会中止。此过程电流方向如图4(d)所示。至此,主电路一周期的工作已经结束。当电路下一次的动作时,主管S1和整流管S2又会导通,电路又重新进入阶段1时的工作状态。

  在能量反向流动时,电路的工作过程与BOOST电路基本一致,可大体分为两个阶段。

  阶段l(续流) 此阶段当中,续流管导通、整流管关断,蓄电池放电电流i1流过电感线圈L,电流线性增加,电能以磁能形式储在电感线圈L中。此过程电流方向如图5(a)所示。

  阶段2(反向放电) 此阶段当中,续流管关断、整流管导通。电感L将其中储存的磁能转化为电能与蓄电池一起向输入侧放电。其电流流向如图5(b)中所示。

  综合电源体积、系统效率、控制精度、器件耐压等诸多因素的考虑,本文选取的工作频率f=55 kHz,T=1/f,最大占空比Dmax为0.4,则主管S1的最大导通时间toNmax为

  要计算输出滤波电感的电感量,首先应确定流经电感的电流△IL的大小。从电感线圈的外形尺寸、成本、过渡响应等方面考虑,△IL取输出电流Io的10%~30%比较合适。在本文中,为了更好地限制输出电流中的纹波含量,取△IL为输出电流Io的10%。综上,由式(13)可求得电感L的大小。

  输出电容的大小丰要由输出纹波电压抑制的限值而确定,也就是由△IL以及输出电容的等效串联电阻ESR确定。通常输出纹波电压取为输出电压的0.3%~O.5%,在本文中纹波电压取0.3%。所以,可求得

  IRL3803,变压器原边磁复位电路中所用的二檄管为PHILIPS(飞利浦)的BYV26G。这里必须指出的是,在进行整流管和续流管的选型时,除了要考虑功率器件的耐压、通流能力外,还应特别注意导通电阻值的大小。本文选择的IRL3803是IR公司推出的专门用于同步整流的MOS管,导通电阻只有6mΩ,能够最大程度减小导通损耗和从而减小发热。由式(5)~式(14)计算可得变压器原边、副边、第三绕组的变比为170:3:255;输出滤波电感为14.72μH;电容为9900μF。负载为单体铅酸蓄电池。

  实验主要技术条件如下:开关频率为55kHz。正向工作时,输入电压Vi为400(1±5%)V,额定输出电压Vo为2V、输出电流为20A;反向工作时,输入电压为2(1±10%)V。

  经测最,系统工作时稳压、稳流精度均可达到小于O.5%的设计要求;装置最高效率为86.7%。主要实验波形如图6~图8所示;能量正/反向流动时,系统的效率曲线为给蓄电池充电时整流管、续流管驱动信号的实测波形。此时原边主管波形与整流管完全同步。图6中通道l为整流功率器件的驱动波形,通道2为续流功率器件的驱动波形。图7为能量反向流动时,整流功率器件、续流功率器件的驱动信号实测波形,此时原边主功率器件不动作。图7中通道1为整流功率器件驱动波形,通道2为续流功率器件驱动波形。图8为能量正向流动时,DC/DC变换器输出2V电压的实验波形。从图8中可看出,输出稳压精度高,电压纹波很小。

  本文提出了一种基于微控制器LPC2119的全数字双向DC/DC变换器。其主要特性有:

  实验证明本变换器原理正确,工作安全可靠且具有良好的控制性能,可应用于单体蓄电池充/放电等多种既要输出低压大电流又要控制能量双向流动的场合,具有广阔的市场前景。

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  00系列是高精度,极低压差(VLDO),低接地电流正电压稳压器,能够提供超过3.0 A的输出电流,典型压差低于370 mV,负载电流为3.0 A这些器件采用钽输出电容稳定。该系列最初由可调输出电压版本组成,未来计划采用固定电压版本。 NCP58300系列可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。 5引脚版本提供逻辑电平使能和错误标志引脚。 NCP58302是一款可调节电压器件,采用D2PAK-5封装。 特性 优势 完全3.0 A负载时370 mV典型压差 无需使用开关调节器即可生成辅助电源轨 低接地电流 - 在3.0 A负载下典型值为50 mA 最大限度地降低稳压器的功率损耗 输出上的钽电容稳定 指定使用钽电容稳定 提供NCV版本适用于汽车应用 符合AEC-Q100标准且支持PPAP 最高电压输入高达18 V 适用于汽车和网通应用 输出电流超过3安培 汽车模块 应用 终端产品 FPGA,DSP和处理器的负载点 开关电源调节后 服务器和网络设备 电路图、引脚图和封装图...

  NCP57302 LDO稳压器 3A 低压差 高PSRR 快速瞬态响应

  02是一款高精度,极低压差(VLDO),低最小输入电压和低接地电流正电压稳压器,能够提供超过3.0 A的输出电流,典型压差为315 mV at 3.0负载电流和1.8 V及以上的输入电压。该器件采用陶瓷输出电容稳定。该器件可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。逻辑电平使能引脚可用。 NCP57302是一款可调电压器件,采用D2PAK-5封装。 特性 输出电流超过3.0 A 全3 A输出电流的最小工作输入电压1.8 V 315 mV 3.0 A时的典型压差电压 可调节输出电压范围1.24 V至13 V 低接地电流 快速瞬态响应 开关电源后调节 陶瓷输出电容稳定 逻辑兼容使能引脚 电流限制,反向电流和热量关机保护 工作电压高达13.5 V 汽车和其他应用的NCV前缀需要独特的站点和控制变更要求; AECQ100合格和PPAP能力 这些是无铅设备 应用 终端产品 工业标准MIC29300,MIC39300,MIC37300的功能替代,具有改进的最小输入电压规格 消费者和工业设备点监管 服务器和网络设备 FPGA,DSP和逻辑电源 电池充...

  52是一款高精度,极低压差(VLDO),低最小输入电压和低接地电流正电压稳压器,能够提供超过1.5 A的输出电流,典型压差为330 mV at 1.5负载电流和1.8 V及以上的输入电压。该器件采用陶瓷输出电容稳定。该器件可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。逻辑电平使能和错误标志引脚可用。 NCP57152是一款可调节电压器件,采用D2PAK-5和DFN8封装。 特性 输出电流超过1.5 A 1.5 A输出电流的最小工作输入电压1.8 V 330 mV典型压差电压1.5 A 可调输出电压范围从1.24 V到13 V 低接地电流 快速瞬态响应 陶瓷稳定输出电容器 逻辑兼容使能和错误标志引脚 电流限制,反向电流和热关断保护 高达13.5 V输入电压的操作 NCV前缀适用于需要独特站点和控制变更要求的汽车和其他应用; AECQ100合格和PPAP能力 这些是无铅设备 应用 终端产品 具有改进的最小输入电压规格的工业标准MIC29150,MIC39150,MIC37150的功能替换 消费者和工业设备监管点 服务器和网络设备 FPGA,DSP和逻...

  MC34268 LDO稳压器 800 mA 2.85 V SCSI-2有源端接器

  8是一款中等电流,低压差(LDO)正线性稳压器,专为SCSI-2有源终端电路而设计。该器件为电路设计人员提供了一种经济的精密电压调节解决方案,同时将功率损耗降至最低。线 V压差复合PNP / NPN传输晶体管,限流和热限制组成。该LDO采用SOIC-8和DPAK-3表面贴装功率封装。 应用包括有源SCSI-2端接器和开关电源的后置调节。 特性 2.85 V SCSI-2有源端接的输出电压 1.0 V Dropout 输出电流超过800 mA 热保护 短路保护 输出调整为1.4%容差 无需最低负载 节省空间的DPAK-3,SOT-223和SOIC-8表面贴装电源包 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...

  MC33160 线系列是一种线性稳压器和监控电路,包含许多基于微处理器的系统所需的监控功能。它专为设备和工业应用而设计,为设计人员提供了经济高效的解决方案,只需极少的外部组件。这些集成电路具有5.0 V / 100 mA稳压器,具有短路电流限制,固定输出2.6 V带隙基准,低电压复位比较器,带可编程迟滞的电源警告比较器,以及非专用比较器,非常适合微处理器线路同步。 其他功能包括用于低待机电流的芯片禁用输入和用于过温保护的内部热关断。 这些线引脚双列直插式热片封装,可提高导热性。 特性 5.0 V稳压器输出电流超过100 mA 内部短路电流限制 固定2.6 V参考 低压复位比较器 具有可编程迟滞的电源警告比较器 未提交的比较器 低待机当前 内部热关断保护 加热标签电源包 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...

  80是一款用于移动电源应用的低静态电流PMIC。 PMIC包含一个降压,一个升压和四个低噪声LDO。 特性 晶圆级芯片级封装(WLCSP) 可编程输出电压 软启动(SS)浪涌电流限制 可编程启动/降压排序 中断报告的故障保护 低电流待机和关机模式 降压转换器:1.2A,VIN范围: 2.5V至5.5V,VOUT范围:0.6V至3.3V 升压转换器:1.0A,VIN范围:2.5V至5.5V,VOUT范围:3.0V至5.7V 四个LDO:300mA,VIN范围:1.9V至5.5V,VOUT范围:0.8V至3.3V 应用 终端产品 电池和USB供电设备 智能手机 平板电脑 小型相机模块 电路图、引脚图和封装图...

  系列降压开关稳压器是单片集成电路,非常适合简单方便地设计降压型开关稳压器(降压转换器)。该系列的所有电路均能够以极佳的线 A负载。这些器件提供3.3 V,5.0 V,12 V,15 V的固定输出电压和可调输出版本。 此降压开关稳压器旨在最大限度地减少外部元件的数量,从而简化电源设计。标准系列电感器针对LM2575进行了优化,由多家不同的电感器制造商提供。 由于LM2575转换器是一种开关电源,与传统的三端线性稳压器相比,其效率要高得多,特别是在输入电压较高的情况下。在许多情况下,LM2575稳压器消耗的功率非常低,不需要散热器,也不会大幅降低其尺寸。 LM2575的特性包括在指定的输入电压和输出负载条件下保证4%的输出电压容差,以及振荡器频率的+/- 10%(0C至125C的+/- 2%)。包括外部关断,具有80 uA典型待机电流。输出开关包括逐周期电流限制,以及在故障条件下进行全保护的热关断。 特性 3.3 V,5.0 V,12 V ,15 V和可调输出版本 可调版本输出电压范围为1.23 V至37 V +/- 4%最大线 A输出电流 宽输入电压范围:4.75 V至40 V 仅需要4个外部元件 ...

  1 / 73产品是280 kHz / 560 kHz升压调节器,具有高效率,1.5 A集成开关。该器件可在2.7 V至30 V的宽输入电压范围内工作。该设计的灵活性使芯片可在大多数电源配置中运行,包括升压,反激,正激,反相和SEPIC。该IC采用电流模式架构,可实现出色的负载和线路调节,以及限制电流的实用方法。将高频操作与高度集成的稳压器电路相结合,可实现极其紧凑的电源解决方案。电路设计包括用于正电压调节的频率同步,关断和反馈控制等功能。这些器件与LT1372 / 1373引脚兼容,是CS5171和CS5173的汽车版本。 特性 内置过流保护 宽输入范围:2.7V至30V 高频允许小组件 最小外部组件 频率折返减少过流条件下的元件应力 带滞后的热关机 简易外部同步 集成电源开关:1.5A Guarnateed 引脚对引脚与LT1372 / 1373兼容 这些是无铅设备 用于汽车和其他应用需要站点和控制更改的ons CS5171和CS5173的汽车版本 电路图、引脚图和封装图...

  是一款线 mA输出电流。 NCP161器件旨在满足RF和模拟电路的要求,可提供低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。它有两种厚度的超小0.35P,0.65 mm x 0.65 mm芯片级封装(CSP),XDFN-4 0.65P,1 mm x 1 mm和TSOP5封装。 类似产品:

  A PWM控制器用于控制所有类型的开关电源,可提供更高的性能和更少的外部元件数量。片内+5.1 V基准电压调整为+/- 1%,误差放大器的输入共模电压范围包括参考电压,因此无需外部分压电阻。振荡器的同步输入使多个单元可以从属,或者单个单元与外部系统时钟同步。通过连接在CT和放电引脚之间的单个电阻可以编程大范围的死区时间。该器件还具有内置软启动电路,仅需外接定时电容。关断引脚控制软启动电路和输出级,通过脉冲关断的PWM锁存器提供瞬时关断,以及具有更长关断命令的软启动循环。当VCC低于标称值时,欠压锁定会禁止输出和软启动电容的变化。输出级采用图腾柱设计,能够吸收和输出超过200 mA的电流。 SG3525A的输出级具有NOR逻辑,导致关闭状态的低输出。 特性 8.0 V至35 V操作 5.1 V +/- 1.0%修剪参考 100 Hz至400 kHz振荡器范围 单独的振荡器同步引脚 可调节死区时间控制 输入欠压锁定 锁存PWM以防止多个脉冲 逐脉冲关机 双源/灌电流输出:+/- 400 mA峰值 无铅封装可用* 应用 半桥 推拉式 电路图、引脚图和封装图...

  是一款1 / 2.5英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为2592(H)x 1944(V)。它通过滚动快门读数捕获线性或高动态范围模式的图像,并包括复杂的相机功能,如分档,窗口以及视频和单帧模式。它专为低亮度和高动态范围性能而设计,具有线读出功能,可在ISP芯片中支持片外HDR。 AR0521可以产生非常清晰,锐利的数字图像,并且能够捕获连续视频和单帧,使其成为安全应用的最佳选择。 特性 5 Mp为60 fps,具有出色的视频性能 小型光学格式(1 / 2.5英寸) 1440p 16:9模式视频 卓越的低光性能 2.2 m背面照明像素技术 支持线读出以启用ISP芯片中的HDR处理 支持外部机械快门 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头阴影校正 精确帧率控制的从属模式 数据接口:♦HiSPi(SLVS) - 4个车道♦MIPI CSI-2 - 4车道 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 应用 终端产品 视频监控 高动态范围成像 安全摄像头 行动相机 车载DVR 电路图、引脚图和封装...

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