一种数模混合控制的AC-DC开关电源的设计

钟宇明

一种数模混合控制的AC-DC开关电源的设计

钟宇明

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

文章介绍了一种数模混合控制的AC-DC开关电源，PFC电路用芯片UCC28180模拟控制，LLC部分及CAN通信用DSP进行数字控制．传统的AC-DC电源做法是把DSP的地取在主变压器的原边，输出端电压和电流用昂贵的线性隔离光耦采样后传递给DSP．本研究的开关电源是把DSP的地取在副边，省去了线性隔离光耦，降低了成本，且增加了输出电压和电流的控制精度．文中给出了基于UCC28180的PFC电路相关参数的详细计算．实验结果证明了方案的可行性．

数模混合控制；PFC；UCC28180

AC/DC开关电源实现交流电到直流电的转换，给设备提供直流电源[1]，广泛地应用于通信基站里给通信设备供电的通信电源、电力设备的电力电源、挖矿领域的矿机电源、工业机器人的工业电源等领域．

开关电源从控制上分为2大类：一类是模拟电源，即采用一些特殊的芯片作为整个电路的主控芯片；另一类是数字电源，即用微处理器作为主控芯片．目前的电源中，300 W以下的小功率模拟电源居多，1000 W以上的大功率数字电源居多．数字电源由于带有微处理器（最常用的是数字信号处理器DSP），其优势有：1）便于实现各种控制算法，往往能实现更多的功能和更高的性能；2）能很方便地与外界进行通信，常见的有CAN总线通信、RS485通信、RS232通信等，尤其是CAN总线通信，即多个电源的通信线连在一起，挂在一组CAN总线上，数字电源可以更方便地传送电源的地址码；3）有些场合为实现更大的电流输出，需要多个开关电源输出并联起来使用，此时要保证各个电源之间的均流，数字电源便于用算法实现均流．

1 传统的AC/DC数字电源结构

常见的AC/DC数字电源结构如图1所示．包括有源功率因数校正（PFC）和LLC两部分[2]．图中LLC电路内部有个主变压器，变压器的原、副边需完全隔离，且满足很高的绝缘要求，以保证输出用电侧的安全．目前常见的方法是把DSP与原边共地，如图1所示，DSP的地与原边的地GND1连接在一起．DSP可以很方便地实现对PFC部分的采样和驱动控制，也很方便实现对LLC部分的驱动控制，但对于LLC部分的采样（即输出端的电压、电流采样）则不方便（因为不共地，输出端的地是副边地GND2）．传统的做法是把输出端的电压电流通过线性光耦隔离放大后传递给原边DSP，存在缺点：一是耐压高的线性光耦价格昂贵；二是很多线性光耦存在线性度不好、零漂、温漂的问题，采样误差大从而导致输出的电压电流控制精度不高，在一些高精度场合不能满足要求．如果选用特别高精度的线性光耦，又会增加成本．

图1 传统AC/DC数字电源的结构

2 数模混合控制的AC/DC开关电源

本文提出一种数模混合的AC/DC电源，如图2所示．把DSP的地取在副边，即把DSP地与输出端的地GND2连在一起，这样输出端的电压、电流可以很方便地采样进入DSP，可以很方便地实现LLC部分的数字控制．带来的缺点就是PFC部分不好用DSP采样和控制了，于是增加一个专用模拟芯片UCC28180，用来采样和控制PFC电路．由于PFC部分一般不需要与外界通信，也不需要并联，控制方法相对简单，用模拟控制能满足要求．

图2 数模混合控制的AC/DC数字电源结构

3 基于UCC28180的PFC电路设计

UCC28180是TI公司推出的一款灵活且易于使用的8引脚PFC控制器，该控制器具有软过流和逐周期峰值电流限制保护①www.ti.com.．基于UCC28180的PFC部分如图3所示．

图3 基于UCC28180的PFC电路

输入电压范围：176～290V．即

最小输入电压：in_min=176V；

输出功率：=1500 W；

效率：=94%；

功率因数：=0.99．

根据UCC28180的芯片资料，引脚4上接的电阻freq决定了PFC电路的开关频率．

设置电路的开关频率为：

则

计算得freq=48 kΩ．

输入最大电流有效值：

设计电感电流的最大纹波不超过输入最大电流峰值的40%，则可能出现的最大输入电流峰值：

根据UCC28180的芯片资料，电路中的输入电流是通过串联在电路中的采样电阻采得信号接到引脚3．当3脚获得的电压超过其内部的基准0.265 V时，芯片内部会进行软过流保护，即限制住芯片输出的占空比；当3脚获得的电压超过其内部的另一个基准0.438V时，则会强行进行限流保护，即关闭芯片输出的占空比．据此选择采样电阻：

上式中1.1倍的系数是指设计在当电流超出正常工作的最大可能电流峰值10%时触发软过流保护．

发生强行限流保护点为：

即当电流达到33.7A时会触发强行限流保护．

UCC28180芯片6脚的内部基准电压为5V，通过基准电压把PFC电路输出的电压pfc（图2中BUS+与BUS-之间的电压，设计为415V）．根据芯片资料推荐选择电阻FB1为1M，则根据串联分压得电阻：

电压采样电阻上并联小电容滤波，RC滤波常数设计为10 μs，则

UCC28180的外围其他参数按照芯片资料推荐参数选择即可．

LLC部分采用调频控制，设计谐振腔，获得40-75V的宽电压范围输出，其设计方法可参考文献[4, 5]．

4 实验结果及结论

效率、功率因数、电流畸变THD是开关电源的主要性能指标[3]．本文的数模混合控制的AC-DC开关电源，输入电压220V，输出最大电流21A，最大功率1500W，输入电流波形和输出电流波形分别如图4、图5所示．输入固定220V不变，改变输出，性能指标测试结果见表1．满载效率91.92%，最高效率92.64%；输出50%～100%负载时，功率因数≥0.99，THD≤5%；技术指标完全满足电源行业标准，获得了较好的测试结果，验证了设计的正确性．与传统的电源相比，该电源省去了线性隔离光耦，降低了成本．

表1 测试结果

图4 输入电流波形

图5 输出电流波形

[1] 陈坚．电力电子学－电力变换和控制技术（第三版）[M]．北京：高等教育出版社，2012．

[2] 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计[M]．北京：电子工业出版社，2006．

[3] 王兆安，刘进军．电力电子技术（第五版）[M]．北京：机械工业出版社，2009．

[4] 辛晓敏，荆龙，赵宇明，等．变频控制LLC变换器的新型参数设计方法[J]．电工电能新技术，2020，39（10）：29-38．

[5] 刘海风，赵晋斌，屈克庆，等．一种带有宽输出范围的高效LCC谐振变换器[J]．电力电子技术，2020，54（10）：43-46．

On AC-DC Switching Power Supplies with Mixed Digital and Analog Control

ZHONG Yuming

（）

An AC-DC switching power supply with hybrid digital and analog control is introduced in this paper. In the power supply, PFC circuit is based on analog control of UCC28180, and LLC circuit and CAN communication circuit is based on digital control of DSP. In conventional AC-DC power supply, the ground of DSP is connected with the ground of primary side of main transformer. Therefore, a linear isolationsamples the output voltage and current and delivers to DSP. In this paper, the ground of DSP is connected with the ground of secondary side, so the linear isolation optocoupler is removed, with the advantage of low cost and high control accuracy of output voltage and current. Parameter calculation of PFC circuit based on UCC28180 is described in detail. Experiment results verified the practicability of the design.

mixed digital and analog control; PFC; UCC28180

TM464

A

1672-0318（2022）01-0008-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.01.002

2021-03-28

钟宇明，男，湖南郴州人，副教授，硕士，主要研究方向：电力电子与电力传动、自动控制．

（责任编辑：王璐）