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案系統設計框圖如圖1所示，輸入為220 V，50 Hz交流電壓，經(jīng)電壓變換，整流濾波后得到18 V的直流電壓，送入Boost電路，經(jīng)濾波輸出直流。CPLD與單片機組成的數字控制模塊輸出脈寬調制信號（PWM），由按鍵控制改變PWM占空比，從而控制Boost電路的輸出電壓。該輸出電壓可在30~36 V范圍內步進(jìn)調節，實(shí)現多路電壓輸出。最大輸出電流高達2 A。
輸出電壓經(jīng)MAXl97 A/D采樣，送至控制模塊，通過(guò)PID算法計算調整下一次傳送的控制信號，形成反饋回路，實(shí)現寬電壓輸入，穩壓輸出的功能。
圖1：系統設計框圖
硬件電路設計
硬件電路圖
系統硬件電路如圖2所示。交流電壓經(jīng)變壓器轉換，其幅值按一定比例降低。降低的交流電壓經(jīng)扁橋式整流電路整流為18 V直流，經(jīng)2 200μF電容濾波后進(jìn)入主轉換電路與Boost電路。
圖2：硬件電路圖
在Boost轉換電路中，增加MOSFET和二極管緩沖吸收電路，減小過(guò)壓或過(guò)流引起的損耗。由于電源功率較小，則采用RC吸收電路。當過(guò)流、過(guò)壓產(chǎn)生時(shí)，電流通過(guò)電阻以熱能的形式將能量散發(fā)出去，降低對MOSFET的影響，減小其損耗，延長(cháng)使用壽命。根據多次試驗，保護吸收電路的電阻應取kΩ級，電容取nF級。直流信號再經(jīng)低通濾波器濾除紋波，驅動(dòng)負載。
主要功能電路原理
硬件電路部分的主要電路是Boost電路，它由功率開(kāi)關(guān)管VT、儲能電感L、續流二極管VD和濾波電容C組成。開(kāi)關(guān)管按一定頻率工作，轉換周期為T(mén)，導通時(shí)間為T(mén)on，截止時(shí)間為T(mén)off，占空比D=Ton/T。其工作原理為：當VT導通時(shí)，電感L儲能，VD反偏截止，負載由電容C提供電能；VT截止時(shí)，L兩端電壓極性相反，VD正偏，同時(shí)為負載和濾波電容C提供能量。
由儲能電感L導通和截止期間，電流變化量相等可得，輸出電壓U0和輸入電壓U1之間關(guān)系為：
U0/Ui=1/（1一D） （1）
器件選取
根據理論計算，功率開(kāi)關(guān)采用晶體管即可滿(mǎn)足要求，故系統采用IRF540型MOS管，其VDS=100 V，IDS=17 A。采用MOS管專(zhuān)用驅動(dòng)器件IR2110完成驅動(dòng)功能。IR2110是一款高低電平驅動(dòng)器件，其邏輯輸入電壓只需3．3 V，輸出電壓最大可達20 V，驅動(dòng)電流最大可達到2 A。其延遲時(shí)間為10ns，上升沿和下降沿時(shí)間分別為120 ns和94 11s。由于IR2110可同時(shí)驅動(dòng)雙MOS管，因而系統只涉及一個(gè)MOS管，故只使用一路驅動(dòng)即可。
由于普通二極管的反向恢復時(shí)間過(guò)長(cháng)，而肖特基整流管無(wú)電荷儲存問(wèn)題，可改善開(kāi)關(guān)特性。其反向恢復時(shí)間縮短到10 11s以?xún)?。但其反向耐壓值較低，一般不超過(guò)100 V。因此肖特基二極管適用于低壓、大電流狀態(tài)下工作，并可利用其低壓降提高低壓、大電流整流（或續流）電路的效率。
重要參數的計算
濾波電容的選取，可根據
當開(kāi)關(guān)管工作頻率取F=40 kHz時(shí)，設紋波電壓約為30～50 mV，則計算得到C數量級為1 000μF。實(shí)際調試后取電容為2 200μF。
儲能電感的選取，可根據：
設計過(guò)程中，設置紋波電流△iL=O．4 A，計算得到L數量級為l mH，實(shí)際調試后取電感為0．79 mH。
軟件設計
選擇CPLD和51系列單片機組合設定數字控制和輸出電壓步進(jìn)。用單片機控制整個(gè)系統。軟件設計除設定初始電壓值，還包含PID算法程序，以及調整PWM占空比?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD可直接生成PWM波控制開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)器。
PWM波產(chǎn)生
PWM波的產(chǎn)生采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言在CPLD中實(shí)現。信號頻率設定為40 kHz，采用DDS方式步進(jìn)頻率可精確至1 Hz。使用QuartusⅡ自帶的工具生成PLL器件，將外界晶體振蕩器輸入的頻率倍頻至100 MHz。由DDS公式，可得：
式中：k為累加系數；Fin為輸入頻率；n為計數器位數。
當鍵盤(pán)鍵入所需電壓U0，單片機內轉化為占空比DY=1一（Ui／U0）。累加器開(kāi)始累加時(shí)輸出高電平，當DY達到計數值時(shí)變?yōu)榈碗娖?，最終可得精確頻率下占空比可調的PWM控制信號。
PI控制算法
為通過(guò)反饋調節控制信號實(shí)現穩壓，系統軟件設計中加入了PID控制算法，即單片機中將給定電壓值與采樣反饋電壓值比較，利用偏差的比例、積分、微分線(xiàn)性組合調整PWM信號的占空比，進(jìn)而達到穩壓。常用的PID算法形式為：
式中：KP、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數；e（k）為偏差；u（k）為所需控制信號的調整值。
該系統設計選擇PI算法（PID算法的一種簡(jiǎn)單形式），即令Kd為零，只考慮比例系數和積分系數。因此，系統穩壓控制的優(yōu)劣取決于參數Kp、Ki。Kp 越大，系統反應越靈敏，但Kp偏大會(huì )導致輸出振蕩大，調節時(shí)間延長(cháng)，所以應謹慎選擇。積分系數的運用可以消除系統的穩態(tài)誤差，提高系統的控制精度。PI算法流程如圖3所示。圖3中引入了積分分離式算法，減少積分校正對控制系統動(dòng)態(tài)性能的影響。即在控制開(kāi)始階段或電壓值大幅度變化時(shí)，取消積分校正；而當實(shí)際電壓值與設定值的誤差小于一定值時(shí)，恢復積分校正作用。積分分離式算法既保持積分作用，又減小超調量，改善控制系統的性能。經(jīng)實(shí)驗確定，可實(shí)現穩壓功能。
圖3：PI算法的流程圖
仿真驗證
Simulink是MATLAB提供的實(shí)現動(dòng)態(tài)系統建模仿真的一個(gè)軟件包。采用powersystem庫模型，將系統設計的仿真電路連接如圖4所示。脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生固定頻率和占空比方波，控制MOS開(kāi)關(guān)管。電流和電壓測量器將模擬的電流和電壓量化送至示波器。仿真中器件參數根據實(shí)際設計選?。狠斎腚妷簽?18 V，開(kāi)關(guān)管的控制脈沖（PWM波）頻率為40 kHz，占空比60％，電容取2 200μF，電感為1 mH，電阻為18 Ω。得到的電流電壓波形圖如5所示。通過(guò)仿真可看出，在不考慮損耗時(shí)電壓可以升36 V以上，電流也可以達到2．4A；在實(shí)際電路中因存在損耗，通過(guò)調整占空比達到了輸出電壓30～36 V步進(jìn)調整．最大輸出電流2 A。
圖4：仿真電路圖
圖5：電流電壓波形圖
利用Boost電路實(shí)現了系統設計的升壓轉換，采用CPLD和單片機完成數字控制，軟件編程得到PWM信號，通過(guò)調整占空比實(shí)現輸出電壓數字調節。而運用PI算法則是本系統設計的亮點(diǎn)，完美實(shí)現了寬輸入，穩壓輸出。
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