一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现
1 引言近年来，数字化在电源领域得到广泛应用，许多电子设备要求电源具有多档级。因此，这里提出了一种利用数字控制、电压可调的开关电源设计方案，实现电压步进调整，并具有宽电压输入、稳压输出功能。
2 设计方案
方案系统设计框图如图1所示，输入为220 V，50 Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18 V的直流电压，送入Boost电路，经滤波输出直流。CPLD与单片机组成的数字控制模块输出脉宽调制信号(PWM)，由按键控制改变PWM占空比，从而控制Boost电路的输出电压。该输出电压可在30~36 V范围内步进调节，实现多路电压输出。最大输出电流高达2 A。
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输出电压经MAXl97 A/D采样，送至控制模块，通过PID算法计算调整下一次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入，稳压输出的功能。
3 硬件电路设计
3．1 硬件电路图
系统硬件电路如图2所示。交流电压经变压器转换，其幅值按一定比例降低。降低的交流电压经扁桥式整流电路整流为18 V直流，经2 200μF电容滤波后进入主转换电路与Boost电路。
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在Boost转换电路中，增加MOSFET和二极管缓冲吸收电路，减小过压或过流引起的损耗。由于电源功率较小，则采用RC吸收电路。当过流、过压产生时，电流通过电阻以热能的形式将能量散发出去，降低对MOSFET的影响，减小其损耗，延长使用寿命。根据多次试验，保护吸收电路的电阻应取kΩ级，电容取nF级。直流信号再经低通滤波器滤除纹波，驱动负载。
3．2 主要功能电路原理
硬件电路部分的主要电路是Boost电路，它由功率开关管VT、储能电感L、续流二极管VD和滤波电容C组成。开关管按一定频率工作，转换周期为T，导通时间为Ton，截止时间为Toff，占空比D=Ton/T。其工作原理为：当VT导通时，电感L储能，VD反偏截止，负载由电容C提供电能；VT截止时，L两端电压极性相反，VD正偏，同时为负载和滤波电容C提供能量。
由储能电感L导通和截止期间，电流变化量相等可得，输出电压U0和输入电压U1之间关系为：
U0/Ui=1/(1一D) (1)
3．3 器件选取
根据理论计算，功率开关采用晶体管即可满足要求，故系统采用I
由于普通二极管的反向恢复时间过长，而肖特基整流管无电荷储存问题，可改善开关特性。其反向恢复时间缩短到10 11s以内。但其反向耐压值较低，一般不超过100 V。因此肖特基二极管适用于低压、大电流状态下工作，并可利用其低压降提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。
3．4 重要参数的计算
滤波电容的选取，可根据
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当开关管工作频率取F=40 kHz时，设纹波电压约为30～50 mV，则计算得到C数量级为1 000μF。实际调试后取电容为2 200μF。
储能电感的选取，可根据：
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设计过程中，设置纹波电流△iL=O．4 A，计算得到L数量级为l mH，实际调试后取电感为0．79 mH。
4 软件设计
选择CPLD和51系列单片机组合设定数字控制和输出电压步进。用单片机控制整个系统。软件设计除设定初始电压值，还包含PID算法程序，以及调整PWM占空比。可编程逻辑器件CPLD可直接生成PWM波控制开关管驱动器。
4．1 PWM波产生
PWM波的产生采用Verilog HDL硬件描述语言在CPLD中实现。信号频率设定为40 kHz，采用DDS方式步进频率可精确至1 Hz。使用QuartusⅡ自带的工具生成PLL器件，将外界晶体振荡器输入的频率倍频至100 MHz。由DDS公式，可得：
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式中：k为累加系数；Fin为输入频率；n为计数器位数。
当键盘键入所需电压U0，单片机内转化为占空比DY=1一(Ui／U0)。累加器开始累加时输出高电平，当DY达到计数值时变为低电平，最终可得精确频率下占空比可调的PWM控制信号。