一种新型矿灯用充电器的研制

  第2 7 卷第6 期增刊2 0 0 6 年6 月仪器仪表学报C h in e se Jo u r n a l o f S cien tif ic In str u m e n tV 0 1. 27 N o . 6Ju n . 20 0 6一种新型矿灯用充电器的研制马宏伟刘凌李海宁( 西安科技大学记协工程学院西安7 10 0 54 )摘要本文介绍了以B U C K 变换为主拓扑电路、 C 357 3为核心构成的电压控制型脉宽调制矿用充电器, 并对主拓扑电路各个参数进行分析和计算, 并对由U C 357 3引起的电压误差进行补偿, 进一步探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计过程, 阐述了双极点一双零点补偿网络的设计原理与具体过程。 实验结果表明: 该充电器具有频响快、 负载调整率高、 充电电压稳定、 纹波小的优点, 是一种性能可靠的实用型充电器。关键...

  第2 7 卷第6 期增刊2 0 0 6 年6 月仪器仪表学报C h in e se Jo u r n a l o f S cien tif ic In str u m e n tV 0 1. 27 N o . 6Ju n . 20 0 6一种新型矿灯用充电器的研制马宏伟刘凌李海宁( 西安科技大学记协工程学院西安7 10 0 54 )摘要本文介绍了以B U C K 变换为主拓扑电路、 C 357 3为核心构成的电压控制型脉宽调制矿用充电器, 并对主拓扑电路各个参数进行分析和计算, 并对由U C 357 3引起的电压误差进行补偿, 进一步探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计过程, 阐述了双极点一双零点补偿网络的设计原理与具体过程。 实验结果表明: 该充电器具有频响快、 负载调整率高、 充电电压稳定、 纹波小的优点, 是一种性能可靠的实用型充电器。关键词开关电源负载调整率B U C K 变换U C 3 5 7 3D e v e lo p e do f a n e wm in e r Sla m p c h a r g e rM aH o n g w e iL iuL in gL iH a in in g( S c h o o lo fM ech a n ica l E n g in e e r in g , X f a n U n iv e r sity o fS c ie n c ea n dT e c h n o lo g y , X i a n7 1 0 0 54 , C h in a )A b str a c tAm in e r Sla m p c h a r g e ro fv o lta g eco n tr o lledP W Mis in tr o d u c e d in th isp a p e r , w h ic h a d o p tsB U C Ktr a n sf o r m a tio n a s th e m a in c ir c u it a n d u s e s U C 3 5 7 3a s th e c o r e . T h e m a in c ir c u it p a r a m e te r s iS a n a ly z e d a n dc a lc u la te d , a n dth ev o lta g ee r r o r w h ic h is c a u se db yU C 3 57 3 isc o m p e n sa te d . F u r th e r , itis d isc u sse dth a t th ed e sig np r o c e ss o ff eed b a ck co n tr o lled tr a n sf e r f u n c tio n a n dIo o p p a r a m e te r s. Itise x p o u n d e dth a tth ed e sig n p r in c ip lea n dp r o c e sso ftw o - p o lea n d tw o z e r oc o m p e n sa tio n n e tw o r k . A c c o r d in gtOth eex p er im en t, itis sh o w e dth a t th ec h a r g e rh a sm a n ya d v a n ta g e s, su c ha s f a stf r e q u e n c y r e sp o n se , h ig h a d ju stin gr a te o f lo a d 。 sta b leo u tp u to fv o lta g ea n d sm a llrip p le. Itis ap r a c tic a l c h a r g e rw ith relia blep er f o r m a n ces.K e yw o r d ssw itc hp o w e ra d iu stin gr a t e o f lo a dB U C Ktr a n sf o r m a tio nU C 3 5 7 31引言矿灯用充电器实质上是一种实用性开关电源。 该充电器克服了以前线性稳压电源的两个严重的缺点:一是调整管V 工作在放大状态, 损耗很大, 使整个电源效率低, 充电时间长; 二是需要一个工频变压器T ,使得电源体积大且重。 开关电源的主电路部分有B U C K 变换、 B O O S T 变换等多种型式。 控制电路可划分为电压控制型和电流控制型, 前者是一个单闭环电压控制系统; 后者是一个电压、 电流双闭环控制系统。由该集成电路构成的B U C K 型开关电源与电压控制型脉宽调制开关电源相比具有以下特点: 管脚数量少,外围电路简单, 价格低廉; 输出电压的纹波峰峰值低,同时可以输出比较高的功率。 因此, 研制一种新型的高性能矿灯用充电器具有实际意义。2B u ck 变换器的结构和工作原理B u c k 变换器结构框图如图1所示。Ⅵ广屯日屯垂丑下I匮亟蓟国。 , Iv ,i图1B u c k 变换器结构框图B u c k 变换器具有极宽的直流工作范围, 经实践证明该变换器长期工作在9 0 ~10 0 0 V 范围内, 性能非常稳定, 因此特别适合于煤矿井下的照明电源。 鉴于煤矿供电电网波动大、 纹波强、 架线的始端和末端压差高的原因, 要求变换器具有高质量的供电能力, 同时也对开关电源的设计提出了严格的技术要求。 在图1中线路输入的电压一路送到主电路B U C K 变换部分, 一路 第6 期增刊一种新型矿灯用充电器的研制2 59 5送到启动部分, 为P W M 控制提供启动电压。 系统正常工作后采用自 供电方式为P W M 控制部分供电, 同时切断启动电路, 提高了系统的工作效率。 反馈电路V f 作为电压及跟踪信号, 构成电压环的控制方式, 实时监测系统的动态变化。图2为典型的B u c k 电路, 为了简化分析, 假定功率开关管Q 和D 为理想开关, 滤波电感L 为理想电感( 电阻为0 ), 电路工作在连续电流模式( C C M )下。 R e为滤波电容C 的等效串联电阻, R o 为负载电阻。 各状态变量的正方向定义如图1所示。 Q 导通时, 电感状态方程为:L d i/d t= U in U oQ 断开, D 续流导通时, 状态方程变为:L d i/d t= ・U o它的传递函数为:而一ulns2LC+S(ReC+l/R0)+1号传递函数。 该电路的P W M 波是由U C 357 3芯片产生的。气 【图2B U C K 变换典型电路坠堕一TT i。!!坚呈r 1 1L 1)式( 1)是B u c k 电路在电感电流连续时的控制一输出信j仝r一+D 乙 』2<<l。 】u c_ 匝3U C 357 3简介U C 357 3为8 脚双列直插式封闭形式, 其内部主要由振荡器、 P W M 比较器、 P W M 锁存器、 高增量误差放大器和一个0 . 5A 的峰值门驱动器等构成。 主要技术参数有: 工作电压是5~30 V ; 启动电压是16 V ; 占空比可调, 最大为9 6 %; 最高开关频率为115k H z ; 内部有高稳定度的基准电压V r e { 一3. 0 V 。 这款芯片的内部电压误差放大器的参考电压为1. 5( 1士2%)V 。 它是一种高性能单端输出式电压型控制型脉宽调制器芯片,环境工作温度可达一50 ~+ 8 5℃及优良的控制特性。U C 357 3是一个正极输入的降压调节芯片, 该芯片最适合于单一激活P 沟道M O S F E T 开关管的B u c k 转换电路。 U C 357 3包括一个欠压保护电流即在开关导通前确保有足够的电压, 输入电流可以读出并被限定在用户使用的最大值。 此外, 休眠比较器接在U V L O上, 当输入电压低于U V L O 的门限电压时芯片自动关断。 工作电流仅在50 t- A , U C 357 3仅靠内部电池就可以工作。4由U C 357 3组成的B u c k 变换器驱动电路图3所示的电路是对U C 357 3典型电路的优化得来的。 Q 1为开关器件M O S F E T , L 1是储能电感, D 1是续流二极管。 合理选择U C 357 3集成电路1、 2脚外接电容及电阻参数, 使开关频率设定在10 0 k H z 。 在这里选择悬浮地G N D 点作为控制芯片的公共地, 使储能电感作为自供电的电源方式, 为U C 357 3提供正常的工作电压, 该系统稳定输出电压为4 . 5V 。4 . 1该充电器的系统参数输入电压: 11~13V ; 输出电压: 4 . 5V ; 输出电流:1. 1A 。电感的设计: 最差工作条件是工作在高输入电压的情况:,。( V i。 ( 。 ; )一V 。 。 : )( 1- V 。 。 。 /V in( 。 x ))1. 410ut( 。 m )f( 。 。 )竿1瓮0蔫筹100幽kH z_ 86. 7pH输出电容:. 2 * . 5A *。 ~r 、I。 。 。 ( )( 1- D C ( 。 神)。 “一f ( sW )V rip p leP _ p 一坐熊箬譬鬻掣一240肛F了丽西i曩而矿一z4u肛图3B U C K 变换电路式中: V 打叩。 。 是纹波电压。 由计算得输出电容是24 0 肛F ,可选用两个125p F 的钽电容并联以降低它的E S R 值。输入滤波电容:Ci。 一熹一d锻品丽一97,u100kHz式中: v r 表示输入纹波。 由计算得输入滤波电容是0 8 V 0 8 V* .* .ff ( sw )v219 7 t|£ F , 可选一个10 0 t- F 的钽电容。续流二极管选比它的峰值电流大20 %, 输入电压为16 V 的肖特基二极管。 259 6仪器仪表学报第2 7 卷功率开关管选P 沟道的导通电阻小于0 . 512、 电流大于5A 的M O S F E T 管。5测试结果4 . 2双极点一双零点补偿器13图4 电压反馈电路为了得到最好的暂态响应, 选用两个极点, 两个零点的补偿器如图4 所示, 由R 2、 C 6 、 C 5组成; 电压反馈回路由R 3、 R 4 、 C 9 组成。 设置补偿器的极点和零点根据f x o < O . 2f sw , 取f x o = 15k H z , 这是闭环增益穿越频率, 根据这个频率确定使控制到输出特性增益曲线在穿越频率处( 原来是一20 d B /d e c )提升到O d B 所需要提供的增益量, 由式( 2)近似得:G ,o= 20lg( 器一G D C一- - - 20lg( 15kH z/387H z )一20 19 ( V 。 。 /△V )一19 d B = G 2( 2)式中: f ( f 。 )一1/2uL JL 忑oCo, 其中, c。 为输出电容。 这就是为了得到所要的穿越频率而需要的中频带的增益G : , 在第1个补偿零点处的增益为:G 1= G 2+ 20 19 ( f 。 业/f 。 。 1)= 19 d B + 20 19 ( 310 H z /10615H z)一一11. 7 d B ( 其中f o 。 l一1/2尢R 。 。 C 。 )为了补偿滤波器两个极点, 在滤波极点的一半处设置两个零点: f e z 。 一匕= 310 H z 。 第1个补偿极点设置在电容的E S R 频率( 10 6 15H z ), f o 。 i一10 6 15H z 。 第2个补偿极点通过对高于穿越频率的增益来维持高频率的稳定性, f 。 D 21. 5f 。 一22. 5k H z。这样就可以计算误差放大器的补偿参数为:C 61/27 r f 。 A 2R 3式中: A z一10纠2R 2 = A lR 3C s= 1/27 c匕1R 2R 4 = R 。 /A 。C 9 1/27 匕R 。( 1)负载调整率( 抗负载波动能力)改变输出负载大小, 测量数据, 组成3组, ( V 0 1一V 0 2)/V 0 1× i0 0 %,测试结果如表1所示。裹1负载调整率从表1中所测得的数据推出负载调整率为:( 4 . 4 %+ 3. 7 %+ 2. 8 6 %)/3= 3. 6 5%( 2)纹波测试在输出满载情况下, 即输出电流为1. 1A 时, 测得的输出纹波电压是30 m V 左右。6 结论基于B U C K 变换的特殊应用型开关电源具有传统变换所没有的优点, 采用这种设计方式在系统参数和负载发生较大幅度变化时, 依然能获得较好的输出效果, 特别是输出纹波小和电源效率高。 本设计是针对单个矿灯进行充电的, 对于整个矿灯充电架充电有待于继续研究。参考文献[ 1]沈裕康, 严武升, 杨庚辰. 自动控制基础[ M ]. 西安:西安电子科技大学出版社, 19 9 5.[ 23程卫群, 骆雅琴, 周红. 基于D C /D C 变换技术的可连续调压功率开关电源口]. 安徽工业大学学报, 20 0 5,22( 3): 27 3- 27 5.[ 3]杨旭, 裴云庆, 王兆安。 开关电源技术i- M ]. 北京: 机械工业出版社, 20 0 4 .[ 4 ]P h illipE - A lle n , D o u g la sR . H o lb e r g . C M O SA n a lo gC r ie u it D e sig n ( S e c o n d E d it io n )[ M ]B E U I N GP u b lish in gH o u seo f E le c tr o n ic sIn d u str y , 20 0 3.E 5]万慧, 黄维玲, 马新敏, 等. D C - D C 变换器数字P ID控制算法设计和修正[ J]. 微计算机信息, 20 0 3, 19( 5): 21- 22, 29 .

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