应用于电梯能量回馈装置的开关电源设计*

郎宝华　代　钊

(西安工业大学电子信息工程学院　西安　710021)



应用于电梯能量回馈装置的开关电源设计*

郎宝华代钊

(西安工业大学电子信息工程学院西安710021)

摘要根据电梯能量回馈装置的电源需要，设计了一款基于STM32F030F4的双管单端反激式数字开关电源，该装置能适应较大电压范围，较高电压输入，采用有源箝位，能实现ZVS，提高电源效率。论文重点论述了电源芯片的性能和工作原理，以及开关电源的电路设计。能满足电梯能量回馈装置的电源需求，具有很好的应用价值。

关键词DC/DC变换； STM32F030F4； ZVS

Class NumberTP391

1　引言

随着现代科技事业的发展, 电器设备的精度提高、可靠性加强, 智能化和数字化的实现, 开关电源正朝着高精度、智能化、数字化的方向发展。开关电源通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压的稳定, 具有体积小、重量轻、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等特点 。

本文采用STMicroelectronics公司的STM32F0系列的STM32F030F4芯片设计了一种智能化，数字化的开关电源。为了能适应电梯能量回馈装置的电源需求，采用了双管单端反激式的数字开关电源设计，控制部分采用数字控制，提高输出电压的精度和灵活性。

2　系统的整体设计

电梯能量回馈装置的电源的性能指标：

· 输入电压：170～700VDC;

· 开关频率：50KHz;

· 输出电压：5V±0.4%,1A;24V±7%,2A;±15V±5%,200mA;三路15V±5%,150mA;15V±5%,300mA;

· 额定功率：PON=70W;

· 效率：η=80%。

系统由输入电路，DC/DC变换电路，输出电路，和控制电路四部分组成。如图1所示。

输入部分主要由保护电路和滤波电路两部分组成，DC/DC变换电路包括单端反激式功率开关电路和高频变压器电路，主要是斩波的作用，输出电路包含整流和滤波，控制电路由控制芯片STM32F030F4及其电压，电流采样电路和功率管驱动电路组成，主要控制系统的采样，PWM波输出。

图1　数字开关电源总体设计

3　硬件电路设计

硬件电路设计包括输入部分、DC/DC变换部分、输出部分和控制部分。

3.1输入部分

输入部分包括保护电路和滤波电路。输入端的保护电路由保险丝和压敏电阻组成。保险丝可以在电路发生故障或出现异常时,伴随着电流升高到限定范围值时,自身熔断以切断电流的通路,从而保护电路的安全运行;压敏电阻用来吸收从电网内窜入的浪涌电压,对电路进行过压保护。滤波电路由滤波电容和共模扼流圈组成,对电路工作过程中产生的串模干扰和共模干扰起到抑制作用。

3.2DC/DC变换部分

DC/DC变换部分由功率开关电路和高频变压器组成,是开关电源最重要的部分。用于把经过滤波后的直流高压转变成高频率的脉冲电压,再经过变压器转换为满足设计要求的隔离输出交流电压。

3.2.1双管有源箝位单端反激式DC/DC变换电路

输入电压范围最高能达到700VDC，为了减少MOSFET管的承受电压，降低损耗，功率开关电路采用了有源箝位双管单端反激式DC/DC变换电路。如图2所示。

图2　有源箝位双管单端反激式DC/DC变换电路

有源箝位双管单端反激式DC/DC变换是一种由两个主开关管，两个辅助开关管组成的单端反激式电路，两个主开关管代替普通的一个开关管，由于输入电压最高能达到700V，电压太高，反激式开关管承受的反向电压约为输入电压的两倍，开关管承受的电压太高，采用两个开关管同时分担电压，能降低开关管的承受电压，有源箝位为了实现开关管的ZVS,减少开关管损耗。幵关管工作在零电压方式(ZVS),即开关管在导通和截止时刻,其两端的电压已为零。有源箝位双管单端反激式DC/DC变换波形图如图3所示。

1) 状态阶段1(t0

Q1,Q2,D20导通，Q3,Q4截止。

原边电感两端电压-nV0,原边电感电流：

(1)

漏电感电流：

(2)

图3　有源箝位双管单端反激式DC/DC变换波形图

整流二极管电流：

(3)

t1时刻，D20电流为0，辅助开关管Q3,Q4电压箝位于VI-VCc5，VI-VCc6,其中VCc5=VCc6。

2) 状态阶段2(t1

Q1,Q2导通，Q3,Q4,D20截止，负载由C9提供能量。

电感电流：

(4)

3) 状态阶段3(t2

Q1,Q2,Q3,Q4,D20都截止，漏电感给Cc1,Cc2充电，Cc3,Cc4放电，Q3,Q4的体二极管导通与Cc5,Cc6,漏电感形成能量回路。Q3,Q4电压为0，实现ZVS。

4) 状态阶段4(t3

Q1,Q2截止，Q3,Q4,D20导通，负载由副边电感提供能量，同时给C9充电。漏电感与Cc5,Cc6谐振，Q1,Q2实现ZVS。

D20电流：

iD20=n[iM(t-t3)-ilk(t-t3)]+iD(t3)

(5)

t4时刻，漏感电流降为0。

5) 状态阶段5(t4

Q1,Q2截止，Q3,Q4,D20导通，漏电感与Cc5,Cc6谐振电流反向。

6) 状态阶段6(t5

Q1,Q2,Q3,Q4截止，D20导通，Cc1,Cc2放电，Cc3,Cc4充电，漏电感与Cc1,Cc2,Cc3,Cc4谐振。

开关电源中使用有源箝位电路来实现零电压工作方式(ZVS)，降低开关损耗，提高效率。开关管工作在零电压方式,即开关管在导通和截止时刻,其两端的电压已为零。

双管有源箝位反激式开关电源箝位电路共有四个开关管,而这四个开关管在电路工作中都实现ZVS工作方式。

主开关管在t2时刻截止后，箝位电容Cc5,Cc6,和杂散电容Cc3,Cc4,漏电感产生谐振，辅助开关管体二极管导通，t3时刻辅助开关管导通前，辅助开关管电压降为零，辅助开关管实现ZVS工作方式。

辅助开关管在t5时刻截止后，杂散电容Cc1,Cc2和漏电感产生新的谐振，主开关管体二极管导通，t6时刻主开关管导通前，主开关管电压降为零，主开关管实现ZVS工作方式。

3.2.2高频变压器

3.3输出部分

输出部分包含七路输出电压以及一路反馈电压。每一路的输出都包括整流、滤波、稳压三部分。整流滤波得到较稳定的直流电压，再通过低压稳压芯片得到所需电压，5V的输出电压为主输出电压，它所需的精度比较高，对其实现闭环电压电流双反馈控制。

3.4控制部分

控制部分包括主控芯片、电流、电压数据采集调理电路、开关管驱动电路。

3.4.1电压电流调理电路

电压调理电路采用采用HCNR200型高线性度光耦对采样电压进行隔离的反馈控制电路。它由发光二极管LED，反馈光电二极管PD1，输出光电二极管PD2组成，当LED通过驱动电流时,发出红外光。该光分别照射在PD1和PD2上,反馈光电二极管吸收LED光通量的一部分,从而产生控制电流。

电流采样电路由差分放大电路和跟随电路组成,根据额定电流等级,选用合适的采样电阻和放大增益,以达到设计的要求。

3.4.2开关管驱动电路

开关管驱动电路采用栅极驱动器TPS2814，电源电压15V，TPS2814两输入接口，两输出接口，输出正反两路PWM波。

R9，R10，D1，D2，C7，C8来调整主开关管的驱动信号和钳位开关管的驱动信号之间的死区。τ1为主开关管关断之后和钳位管导通之前的驱动死区时间，τ2为主开关管开通之前和钳位管关断之后的驱动死区时间。

τ1为R8和C3的时间常数τ1=R9·C7。τ2为R9和C2的时间常数τ2=R10·C8。

Cc7，Cc8，Cc9，Cc10，Cc11，Cc12为隔直电容，阻断输入高电平时的直流分量，取1uF。R1，R2，R5，R6是串联在开关管栅极的门极电阻,它能有效地阻止栅极输入电流出现震荡情况，取10Ω。D3,D4,D5,D6为箝位二极管，防止烧坏开关管，取20V反向击穿电压。R3,R4,R7,R8提供泄放电荷的通道，使栅极上累计的电荷不会太高，取1KΩ。电路图如图4所示。

图4　开关管驱动电路

3) 主控芯片

主控芯片选用STM32F030F4，有20个管脚，16K字节Flash;4K字节SRAM，CRC计算，1KRAM，2.4～3.6V工作电压，17路兼容5VIO口，5通道DMA控制器，12×12位ADC，4×16位定时器，体积小，使用USB供电，节约成本。

STM32F030F4最小系统包括主控芯片STM32F030F4，电源模块，复位模块，外部时钟模块，启动模块，SWD通信接口，USB供电接口，外部插槽。

4　软件部分

软件部分主要包含实时采样，PID算法控制，PWM波输出三部分。

实时采样：采用STM32F030F4中的1路12位的ADC转换电路实现电压、电流实时采样,每一通道的最小转换时间为500ns,将采样信号转换为2407的ADC所需的0～3.3V电平,在1个开关周期中,将采样80次(开关频率为50kHz),采样后,通过软件编程调整驱动DC/DC变换中电路中的MOSFET管的PWM波形,达到稳压的目的,同时当输出电压、电流过高或欠压时,STM32F030F4调用相应的子程序来处理突发事件,起到保护作用。

PID算法控制：PID算法采用了增量式PID算法。

基本PID控制器的理想算式为

设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式

利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)，可得增量式PID控制算式

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]

进一步改写成

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

PWM波输出：PWM用于对单端反激式DC/DC变换电路中的MOSFET的驱动。根据输出采样,设定和调整定时器中周期寄存器的值和比较寄存器中的值来改变输出PWM波的周期和脉冲宽度。

5　实验结果分析

根据以上的设计方法跟规范，设计了一种基于STM32F030F4的双管有源箝位单端反激式多路输出的开关电源，在宽范围170V～700VDC输入范围下，对其性能进行了测试，测试结果如图5、图6、表1所示。

图5　5V输出电压

图6　PWM波形图

VIN(V)170200230260290320350380410VO(V)5.025.015.004.984.995.014.984.995.00VIN(V)440470510540570600630670700VO(V)5.025.014.984.984.995.014.984.985.00

由图5可知5V输出稳定，由图6可知PWM峰峰值为3.6V，平均值为1.53V，占空比为0.46由表1电源的调整率在±0.02V之间，测试结果显示输出的纹波电压35mV,最大的输出电流为1A，满足系统设计需求。

6　结语

本文在上述分析的基础上，设计了一款符合电梯能量回馈装置性能指标要求的开关电源。设计的数字开关电源能输出波形良好，谐波含量少，可调节性优良,负载在全范围内变化时,开关电源均能够保持良好的输出性能,符合设计要求。同时开关电源设计简单,调试方便,所需元器件较少,体积小,成本低，能满足电梯能量回馈装置电源需要。

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收稿日期:2015年10月10日,修回日期:2015年11月26日

作者简介:郎宝华，男，博士，副教授，研究方向：高精度交流电机控制、嵌入式系统等。 代钊，男，硕士研究生，研究方向：自动化控制等。

中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.040

Switch Power Supply Used in Elevator Energy Feedback Device

LANG BaohuaDAI Zhao

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractAccording to the need of the elevator energy feedback device power supply,the design which is a double tube single-end flyback digital switching power supply based on the STM32F030F4 can adapt to the large voltage range and high voltage input, and improve the efficiency of power supply because of using active clamp to achieve ZVS.It mainly discusses the performance and working principle of the power chip, and switch power supply circuit design.It can satisfy the need of the power of the elevator energy feedback device, and has very good application value.

Key WordsDC/DC transform, STM32F030F4, ZVS