一種基于單片機和PSD的數制化電源

摘 要 根據單片機80C196KC和現場(chǎng)可編程系統器件PSD302的特性，設計了一種數制化電源裝置，提供了程序框圖，并對其進(jìn)行了諧波分析。它是一種高性能的通用裝置，可替代傳統的PWM逆變電源。

關(guān)鍵詞 電力電子器件 電源 單片機 現場(chǎng)可編程系統器件

隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步，人類(lèi)對電能種類(lèi)的需求不斷增加，如要求電能有多種制式：直流穩壓電源、交流工頻電源、中高頻感應加熱電源、高壓電解電源等，而且需求的數量也在不斷增加。要提供這些制式的電能，就要有許多不同的電源變換裝置。此外，為滿(mǎn)足各種電氣設備對電源的特殊要求，也需要一些裝置對電源進(jìn)行變換和控制。這些裝置品種繁多，其原理和構造各不相同，且一般只有有限的功能，難以相互替代。因此，設計出一種通用的電源裝置，使它在原理和結構上不作改動(dòng)即能提供多制式的電源，具有重要的現實(shí)意義。然而，利用60年代的晶閘管以及70年代的自關(guān)斷器件（如GTR、GTO）構成的電氣裝置，由于器件的工作頻率低下，難以逾越20kHz這一大關(guān)，因而效率較低，原材料消耗較大，并且系統的動(dòng)態(tài)性能不夠理想，易引起所謂的“電力公害”。80年代急速興起的場(chǎng)控自關(guān)斷器件（如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等）都是集高頻、高壓、大電流于一身的性能優(yōu)越的電壓控制器件，它們的出現使得設計和制造出一種通用的電源裝置成為可能。

本文以數制化電壓?jiǎn)卧獮榛A構成電壓合成器（VS），再由單片機按波形重組合技術(shù)（WRT）控制VS中各單元的電子開(kāi)關(guān)（IGBT），使導通單元的電壓迭加得到所需的波形，從而實(shí)現所要求的功能。

１ 系統組成和原理

1.1 數制化電壓?jiǎn)卧倪x取

系統的數制化電壓?jiǎn)卧慈缦乱幝蛇x?。?/P>

先確定最小的電壓?jiǎn)挝唬ㄈ?V），并取Eo=1V作為基本單元，其次選作為高一位的單元，再次選作為更高一位的單元，……依次類(lèi)推，如圖１所示。若共有Ｎ位單元，則最高位單元的電壓為：

需要指出的是，這些單元可以是恒定的直流電壓，也可以是等寬的單向脈沖電壓，甚至可以是同頻同相的交流電壓。這里只討論恒定直流電壓的情況。

1.2 電壓波形重組合 

先將擬要產(chǎn)生的波形分成若干個(gè)垂直條塊，這些條塊的寬度遠小于波形的周期，可看作為具有固定幅值的矩形條塊。這樣給定的電壓波形就可用上述的數制化單元迭加得到，如圖２所示。使用二進(jìn)制的單元系列不僅可減少單元數目，簡(jiǎn)化結構，而且極易利用單片機來(lái)進(jìn)行控制。

1.3 主電路部分

由以上電壓迭加分析可知，各數制化電壓?jiǎn)卧獞?lián)起來(lái)，并且每個(gè)單元應串聯(lián)一個(gè)可控制其導通或關(guān)斷的電子開(kāi)關(guān)，構成電壓合成器VS。綜合考慮目前電力電子器件的性能，這里選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作電子開(kāi)關(guān)。這是一種電壓控制型器件，其輸入阻抗高、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度高、開(kāi)關(guān)損耗??；它的通態(tài)壓降比VKMOS還低，特別是在大電流區段；且在1/2或1/3額定電流以下區段具有負溫度系數，而在以上區段則具有正溫度系數，因此在并聯(lián)使用時(shí)具有自動(dòng)調節電流的能力。另外，IGBT的安全工作區比GTR寬，而且還具有耐脈沖電流沖擊的性能，特別適于作高頻開(kāi)關(guān)使用。

為了使某位數制化電壓?jiǎn)卧陉P(guān)斷時(shí)能給其它單元提供電流通路，每位單元在與其控制開(kāi)關(guān)串聯(lián)后，應再與一快速恢復二極管反向并聯(lián)，如圖３所示。用＝１表示第ｉ位單元被選通，＝０表示關(guān)斷，則AO端的電壓為：

為了使裝置能提供交變電壓，在輸出到負載之前須再加裝一開(kāi)關(guān)換向橋，這四個(gè)換向開(kāi)關(guān)也選用IGBT，以便于控制和得到與上述一致的性能。這樣當導通、關(guān)斷時(shí)，輸出端U點(diǎn)的電位高于V點(diǎn)電位；反之，當關(guān)斷、導通時(shí)，V點(diǎn)的電位高于Ｕ點(diǎn)的電位。

1.4 單片機監控電路部分

為了簡(jiǎn)化電路、降低消耗、增強性能，本系統的監控部分主芯片擬采用80C196KC單片機和現場(chǎng)可編程系統器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位單片機，它在與外部設備進(jìn)行數據交換和內部運算時(shí)均可采用１６位操作方式，時(shí)鐘頻率可達16MHz以上，其控制IGBT開(kāi)關(guān)的時(shí)間精度可達微秒級，速度比８位單片機快得多。它的指令系統也更加豐富，效率更高。另外，80C196KC還新增了一個(gè)外設事務(wù)服務(wù)器(Peripheral Transaction Server即PTS)，大大提高了響應外設中斷的速度，增強了A/D轉換器的性能（10位/8位）。因此，它特別適合于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的系統。

PSD302是一種功能很強的通用外圍接口芯片，它不僅可替代單片機最小系統中的地址鎖存器、譯碼器和存儲器，而且可使系統功能和可靠性大大增強。它有19根可單獨構造的I/O引腳、兩個(gè)可編程陣列、內部高速EPROM和SRAM等，可有四種工作模式供選擇，作輸入的引腳有效電平可編程，故它幾乎支持任何8位或16位微控制器。

根據上述芯片的特性，可畫(huà)出監控部分的電路示意圖，如圖４所示。80C196KC的 P0.0和P0.1作為內部８通道A/D轉換器的模擬輸入端，分別檢測輸出電壓和負載電流，P0口的其它線(xiàn)仍可作數字輸入口用，P1口和P2．6、P2．7為準雙向口，可用于輸出監測數據和聲光報警信號，P3、P4口用作系統總線(xiàn)。為了防止A/D轉換器模擬輸入端過(guò)載及增強其抗尖峰干擾的能力，應分別加裝二極管箝位電路及阻容濾波電路。PSD302構造為16位多路復用模式，PA、PB口均構造為I/O輸出，分別作為VS和換分向橋的控制驅動(dòng)，PC0～PC2留作備用，或作為片選輸出信號。

２ 程序流程圖

本系統由80C196KC的內部定時(shí)器T0設定采樣時(shí)間間隔，T0的中斷服務(wù)程序分別采集輸出電壓和負載電流，存入PSD302的響應SRAM中。80C196KC根據采樣值與標準值的比較發(fā)出命令給PSD302，調節輸出幅值或相位。程序流程圖如圖５所示。

３ 諧波分析

理論上講，利用數制化電源裝置可以產(chǎn)生任意形狀的電壓波形，但由于頻率很高時(shí)，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不可忽略，單片機系統的運行時(shí)間也必須加以考慮，故實(shí)際上只能得到近似的階梯狀曲線(xiàn)。以最常見(jiàn)的合成正弦電壓的情形為例來(lái)分析，并忽略二極管和IGBT的導通電壓，當VS能輸出的最高電壓與正弦電壓的峰值接近時(shí)，輸出端UV的電壓可展成傅立葉級數

成立時(shí)，可使次以?xún)鹊闹C波皆為零。例如，當只有一位單元時(shí)，則觸發(fā)角α１為0.5236弧度，可使５次以?xún)鹊闹C波為零；當有兩位單元時(shí)，則觸發(fā)角分別為0.2037,0.4701,0.9784弧度或0.2093,0.7318,1.4953弧度，可使9次以?xún)鹊闹C波為零，而9次及以上各次諧波頻率與基波頻率相差很大，易用低通濾波器濾去。若再增加幾位電壓?jiǎn)卧?，例如共用八位，如果能選擇適當的觸發(fā)角，則513次以?xún)鹊闹C波皆為零。

４ 應用

由以上分析可知，通過(guò)改變單片機的控制方式，即可獲得各種各樣的電壓波形，例如用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性插值法，可實(shí)現輸出無(wú)級可調直流電壓，因此這種數制化電源裝置首先具有通用性，可用于交直流電機的正反轉控制及調速、實(shí)驗室電源等。在輸出正弦交流電壓時(shí)，它的諧波分量比普通的PWM逆變器小得多，如不使用低通濾波器，則可消除濾波器引起的波形失真。它的控制也較簡(jiǎn)單，可用于對電源要求較高的場(chǎng)合，如高精度變頻調速、不間斷電源、大功率高效D/A轉換器、多電源系統等，原則上可取代PWM。如果用于專(zhuān)門(mén)用途，只輸出一種電壓波形，則整個(gè)系統從硬件到軟件都可進(jìn)一步優(yōu)化，以簡(jiǎn)化設計，降低成本，提高精度，增強可靠性。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，器件的集成度越來(lái)越高、性能越來(lái)越強、功率也越來(lái)越大，用它們設計和制造出來(lái)的各種裝置也正朝小型化、高頻化、智能化、大功率方向發(fā)展。目前500kHz的VDMOS開(kāi)關(guān)電源在市場(chǎng)上已有售。在采用諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率可進(jìn)一步提高到數兆赫至幾十兆赫，效率大于80%，出現了功率密度達每立方英寸30～50W的所謂“卡片式”開(kāi)關(guān)電源。但VDMOS的導通電阻與成正比，限制了它在高頻中、大功率領(lǐng)域的應用。IGBT集MOS器件與雙極型器件的優(yōu)點(diǎn)于一體，得到了越來(lái)越廣泛的應用，有取代GTR和MOSFET的趨勢?？梢灶A見(jiàn)，未來(lái)的電力電子開(kāi)關(guān)器件具有導通壓降更低、開(kāi)關(guān)速度更高、損耗更小等特點(diǎn)，與現代控制理論相結合的數制化電源裝置功能也將進(jìn)一步增強，徹底取代PWM等也將成為必然。