Entwurf eines DC-Schaltnetzteils für einen Einzelchip-Mikrocomputer
Die Hauptsteuerungsmethode des Schaltnetzteils besteht in der Verwendung einer integrierten Pulsweitenmodulationsschaltung zur Ausgabe von PWM-Impulsen und der Verwendung eines analogen PID-Reglers zur Pulsweitenmodulation. Diese Steuerungsmethode weist gewisse Fehler auf und die Schaltung ist relativ komplex. In diesem Artikel wird ein Leistungsschaltnetzteil mit einem weiten Bereich stufenlos einstellbarer Ausgangsspannung vorgestellt, gesteuert durch den Hochleistungs-Mikrocontroller μ psd3354 der Firma ST. Der Mikrocontroller erzeugt direkt PWM-Wellen und führt eine digitale Steuerung des Hauptstromkreises des Schaltnetzteils durch. Die Schaltung ist einfach und leistungsstark.
Prinzip und Gesamtdesign des Power-DC-Stromversorgungssystems
1.1 Systemprinzip
Dieses Power-DC-Stromversorgungssystem besteht aus zwei Teilen: dem Hauptstromkreis des Schaltnetzteils und dem Steuerstromkreis. Der Hauptstromkreis verarbeitet hauptsächlich elektrische Energie, während der Steuerstromkreis hauptsächlich elektrische Signale verarbeitet. Negatives Feedback wird verwendet, um ein automatisches Kontrollsystem zu bilden. Das Schaltnetzteil verwendet die PWM-Steuerungsmethode und die Abweichung wird durch Vergleich der gegebenen Menge und der Rückkopplungsmenge ermittelt. Der PWM-Ausgang wird von einem digitalen PID-Regler gesteuert, um den Ausgang des Schaltnetzteils zu steuern. Dabei werden sowohl die PID-Regelung als auch der PWM-Ausgang durch Software mithilfe eines Mikrocontrollersystems gesteuert.
1.2 Gesamtsystemdesign
Der Hardware-Teil des Systems besteht aus Eingangs- und Ausgangsgleichrichter- und Filterschaltungen, Leistungsumwandlungsteilen, Antriebsschaltungen, Mikrocontrollersystemen und Hilfsschaltungen. Abbildung 1 zeigt das Strukturdiagramm einer DC-Stromversorgung, die von einem Mikrocontroller gesteuert wird.
Wie zu sehen ist, wird 50Hz- und 220-V-Wechselstrom durch den Netzfilter gefiltert, um Störungen aus dem Netz zu eliminieren, und gelangt dann zur Gleichrichtung und Filterung in den Eingangsgleichrichterfilter, um ihn in ein Gleichspannungssignal umzuwandeln. Das Gleichstromsignal wird durch eine Leistungsumwandlungsschaltung in ein hochfrequentes Wechselstromsignal umgewandelt, und das hochfrequente Wechselstromsignal wird dann durch eine Ausgangsgleichrichtungs- und Filterschaltung [1] in einen Gleichspannungsausgang umgewandelt. Die Steuerschaltung verwendet das PWM-Pulsweitenmodulationsverfahren, und das vom Mikrocontroller erzeugte PWM-Steuersignal mit einstellbarer Impulsbreite wird von der Treiberschaltung verarbeitet, um die Leistungsumwandlungsschaltung zum Laufen zu bringen. Mithilfe eines Hochgeschwindigkeits-ADC-Umwandlungskanals eines Mikrocontrollers wird die Ausgangsspannung in regelmäßigen Abständen erfasst und mit dem erwarteten Wert verglichen. Anschließend wird eine PID-Anpassung basierend auf dem Fehler durchgeführt. Die Spannungserfassungsschaltung realisiert die Erfassung der Gleichspannung V0 und gleicht sie mit dem analogen Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers ab. Bei Überspannungs-, Überstrom- und Kurzschlussfehlern im Schaltnetzteil übernimmt die Schutzschaltung eine Schutzfunktion für Netzteil und Last. Die Hilfsstromversorgung liefert Gleichstrom für Steuerkreise, Antriebskreise usw.
2. Hauptschaltkreisdesign des Schaltnetzteils
Der Hauptstromkreis des Schaltnetzteils wird verwendet, um die Umwandlung von DC-AC-DC abzuschließen. Der Hauptstromkreis des Systems verwendet einen Vollbrücken-DC/DC-Wandler, wie in Abbildung 2 dargestellt. Das in diesem System verwendete Leistungsschaltgerät ist das IGBT-Modul der Serie BSM 50GB120DN2 der Firma EUPEC. Da es sich bei jedem Modul um eine Halbbrückenstruktur handelt, sind im Vollbrückensystem zwei Module erforderlich. In jedes Modul ist eine schnelle Freilaufdiode integriert.
