CN201611856U - 一种脉冲电源脉冲精度控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种脉冲电源脉冲精度控制电路，该电路包括DSP控制板，主控制板，按键显示板和开关电源主电路板；DSP控制板与主控制板之间形成外环控制回路，主控制板采用PWM控制技术形成内环控制回路。本实用新型方案建设性的采用数字加模拟的双闭环控制电路来控制脉冲基值和峰值，从而达到了较高的输出精度，双闭环控制方式包括内环控制和外环控制。本实用新型进一步解决现有技术中控制电路的精度差不能满足使用要求和无法实现智能化的问题。

Description

一种脉冲电源脉冲精度控制电路

技术领域

本实用新型涉及脉冲电源技术领域，尤其涉及一种脉冲电源脉冲精度控制电路。

背景技术

随着当前IT产业地飞速发展，对半导体元件、连接器、电路板的精度要求日益提高，集成电路的小型化，终端产品的小型化，这就要求生产加工更小封装的元件和连接器、更精细的电路板印制线和过孔、更精密的柔性电路板。这些快速发展的电子产品对电子电镀行业提出了更高的要求，而整流器作为电镀生产的最主要动力，需要它提供了更加精确可控的电能。更为重要的是当前世界范围内对减少能源消耗的意识提高到了空前的高度，这对于高能耗的金属表面处理行业来说具有极高的挑战性。而脉冲电镀对于传统的直流电镀来讲具有更高的效率，在相同的能量损耗下可以有着更高的产量，并且实验证明在脉冲电镀条件下贵重金属(金，银等)的使用可以更少，而获得更为致密的镀层，这对于这一行业来讲既节省了能量的消耗，又节约了贵重金属的使用。因此可以预见未来的金属表面处理将会以脉冲电镀为主。

脉冲电源在贵重金属电镀时有着很好的优势，而质量良好的脉冲输出波形起着至关重要的作用，通常情况下需要输出方波如图1，而且幅值和时间精度在1％内方可保证电镀质量。要达到这样高的精度，精度控制电路是必不可少的。而现有技术中尚不存在这样的高精度控制电路。

目前，现有的解决方案是采用普通8位或16位单片机处理器组成一个脉冲发生器来控制脉冲输出，也有直接使用高性能处理器如DSP(Digital SignalProcessing数字信号处理器)直接控制功率元件输出的单闭环控制模式。

如果采用纯模拟控制方案，那么在脉冲控制上就会有着很大的实现难度，因为脉冲输出本身就是离散的，而模拟控制是连续的，需要用纯硬件电路来实现。这样要么硬件电路非常复杂，实现控制功能成本很高，可靠性和可维修性大大的降低，要么只能实现简单功能控制，电压、电流和脉冲波形的控制精度很差，不能满足使用要求和智能化的需求。

如果采用纯数字控制方案，目前使用的数字处理器主要是单片机和DSP，后者在速度和性能上有着巨大的优势。以美国德州仪器工业股份有限公司的C28XX系列的DSP为例，该处理器是专门针对工业控制的一款优秀的处理器，具有100MHz的工作时钟，由处理器内部PWM(Pluse Width Moudlation脉冲宽度调制)提供开关驱动信号，应对当前开关电源几十千赫兹的工作频率已经是足够了，但是用来调制高频开关信号时便会出现问题。实验证明无论算法如何先进都不能很好保证输出脉冲的波形和精度，有时会出现丢失脉冲的现象，所以DSP无法对脉冲的波形进行及时和精准的控制，完全依赖数字处理器会造成整个系统的控制缺失。

还有的就是数字加模拟的方式，这样的基本做法就是电源的PWM驱动信号由模拟的方式来实现，而数字电路部分负责人机界面和脉冲调制的控制。但是由于目前该方案通行的控制方案只有一个内闭环控制环路，这就导致了有时候会出现脉冲基值和峰值精度低的现象。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种脉冲电源脉冲精度控制电路，以解决现有技术中控制电路的精度差不能满足使用要求和实现智能化的问题。

实现本实用新型的技术方案如下：

一种脉冲电源脉冲精度控制电路，包括DSP(Digital Signal Processing数字信号处理器)控制板，主控制板，按键显示板和开关电源主电路板；DSP控制板与主控制板之间形成外环控制回路，主控制板采用PWM(Pluse WidthMoudlation脉冲宽度调制)控制技术形成内环控制回路。

所述开关电源主电路板向主控制板提供反馈信号、BLOCK信号和限流信号。

所述主控制板内环控制电路包括PWM控制器、电压电流采样放大电路CPLD(Complex Programmadle Logic Device复杂可编程逻辑器件)可编程芯片、模拟多路复用器及驱动芯片；其中，主控制板对电流和电压反馈信号经过运算放大电路进行放大，放大后的信号再经过PWM调制和CPLD驱动脉冲整形，驱动信号经过变压器耦合送至功率管，主控制板根据限流信号和BLOCK软关机信号进行相应的输出调整。

所述DSP控制板与按键显示板、主控制板及开关电源主电路板分别进行交互；其中，DSP控制板与开关电源主电路板的交互内容包括控制主电路的缓启动、主电路风扇的启停和调速、RS-485通讯数据交换、继电器信号输出，并接受主电路上的功率板温度信号、初级电压检测。

所述外环控制回路的信号流动包括，DSP控制板接收主控制板的电压、电流和异常检测信号，并回输基值设置、峰值设置和脉冲调制信号，同时建立主控制板与按键显示板之间显示信号及控制信号的连接。

所述外环控制回路通过比较器完成电压、电流的基值和峰值与由A/D采样处理的反馈信号之间的比较环节。

所述比较器环节包括：连续恒压比较，连续恒流比较，脉冲电压基值比较，脉冲电压峰值比较，脉冲电流基值比较，脉冲电流峰值比较。

所述DSP控制板中的三组模拟多路复用器选定CV/CC控制、输出模式控制、脉冲调制控制三个外加控制信号，并将其作为内环设定信号输入到内环控制回路。

本实用新型与现有技术相比，有以下优点：

1、本实用新型建设性的采用数字加模拟的双闭环控制电路来控制脉冲基值和峰值，从而达到了较高的输出精度。

2、本实用新型的具体实施例经过大量的实验证明该控制电路符合脉冲电源输出精度的控制要求，从而使脉冲电源在贵重金属电镀方面发挥了巨大的优势。

3、由于电源处于不同的工作模式使得控制电路的比较器数量会比较多，本实用新型中采用了模拟多路复用器对信号进行选择，从而减少了控制比较器的数量，及减少了模拟控制元件的数量，有效防止了资源浪费。

附图说明

图1是本实用新型脉冲电源脉冲精度控制电路的脉冲输出波形示意图；

图2是本实用新型硬件电路结构示意图；

图3是本实用新型控制回路示意图；

图4是本实用新型主控制板模块电路示意图；

图5是本实用新型DSP控制板模块电路示意图；

图6是本实用新型精度控制软件流程图。

具体实施方式

本实用新型方案建设性的采用数字加模拟的双闭环控制电路来控制脉冲基值和峰值，从而达到了较高的输出精度。

本实用新型的一种具体实施例使用了半桥拓扑和BUCK变换器，输入为单相220VAC供电，输出10V100A。单向脉冲模式输出时脉冲宽度最窄为0.5ms，可调分辨率为0.1ms，输出波形为方波。

如图2所示，本实用新型的脉冲电源脉冲精度控制电路由四个部分组成，分别是DSP控制部分，主控制部分，按键显示部分和开关电源主体，在硬件框图中分别对应DSP控制板、主控制板、按键显示板和开关电源主电路板四个部分。

其中，开关电源主电路向主控制板提供反馈信号、BLOCK信号和限流信号。主控制板对电流和电压反馈信号经过运算放大器进行放大，放大后的信号再经过PWM(Pluse Width Moudlation脉冲宽度调制)调制和CPLD驱动脉冲整形，然后驱动信号经过变压器耦合送至功率管。同时主控制板根据限流信号和BLOCK软关机信号进行相应的输出调整。主控制板向DSP控制板提供电压、电流和异常检测信号，与此同时，主控制板接受来自DSP控制板的设置基值、设置峰值和脉冲调制信号，并对输出做出相应的调整。

DSP控制板接受主控制板的电压、电流和异常检测信号后，进行相应的控制信号的输出，包括提供给主控制基值设置、峰值设置和脉冲调制信号，同时提供给按键显示板显示信号。DSP控制板也接受来自按键显示板的按键信号，然后根据这些按键信号，输出给主控制板控制信号。这样在DSP控制板和主控制板之间形成了一条外环控制回路。DSP控制板除了与按键显示板和主控制板进行交互外，还与开关电源主电路板进行交互，其交互的内容包括控制主电路的缓启动、主电路风扇的启停和调速、RS-485通讯数据交换、继电器信号输出；同时，DSP控制板接收来自开关电源主电路板上的功率板温度信号、初级电压检测信号和总电源空开检测信号。

本实用新型中的控制回路是整个实施例的核心，影响着整个电源系统的正常运行以及输出精确度的控制，本方案使用的双闭环控制方式包括内环控制和外环控制。其控制过程具体描述如下：

如图3所示，控制回路分别为外环控制回路和内环控制回路。外环控制回路在DSP的控制下通过用户设定的电压、电流的基值和峰值经过比较器与由A/D采样处理后的反馈信号进行比较，外环控制回路中共有六组这样的比较环节，分别是连续恒压比较，连续恒流比较，脉冲电压基值比较，脉冲电压峰值比较，脉冲电流基值比较，脉冲电流峰值比较。由于在实际使用中同一时刻只用到一组控制输出量，而这唯一的一组控制输出量是由CV/CC控制、输出模式控制、脉冲调制控制三个外加控制信号通过三组模拟多路复用器决定的。被选定的这组控制输出量作为内环的设定信号输入到内环控制回路中，在内环控制回路中有PWM控制器、电压采样放大电路、电流采样放大电路，其和功率放大电路组成了经典的开关电源控制回路，即内环控制回路。

本方案使用的双闭环控制硬件电路由两部分构成：主控制板模块和DSP控制板模块，主控制板模块的结构示意图见图4，DSP控制板模块的结构示意图见图5。

如图4所示，内环控制采用了传统的PWM控制技术，主要使用主控制板模块，其中包括了由U11A精密运放组成的电流电压信号采样放大电路，并与基准电压由高速比较器U10A、U10B、U10C进行比较，通过适当的频率补偿输出具有合适响应速度的控制信号，该控制信号输入PWM控制芯片U3，U3再将控制信号调制到高达50kHz的PWM驱动信号上，驱动信号通过CPLD U6进行时序调整和波形整定后经驱动芯片U2、U4、U5、U7由隔离驱动变压器控制半桥功率管工作。另外由于电源处于不同的工作模式使得控制电路的比较器数量会比较多，而我们在本方案中采用了模拟多路复用器U8，U8由CV/CC控制(CV/CC)、输出模式控制(OUTMOD)、脉冲调制控制(PLSMOD)三个控制信号进行信号选择，这三个信号来自DSP，并经过U6进行时序控制。这样便使得控制比较器减少到一个，这样在一定的程度上减少了模拟控制元件的数量，提高了精度和可靠性。

如图5所示，外环控制采用了DSP为核心的数字PID控制方式，主要使用DSP控制板模块实现使输出值跟踪设定。来自主控制板模块的采样电压电流信号(FV，FI)经过运放U11A、U11B放大后进入U10(DSP)，U10根据实际的工作模式将电压电流信号分为连续电流信号，连续电压信号，脉冲输出电压基值信号，脉冲输出电压峰值信号，脉冲输出电流基值信号，脉冲输出电流峰值信号，并利用各自的设定值进行PID运算，从而计算出需要输出的控制信号。由于DSP大都不具备DA转换(数模转换)功能，所以储存在DSP内部的控制信号由DA转换器U8和U5转换成模拟信号输入给主控制板模块。U8和U5分别作为脉冲输出的基值和峰值的控制信号，而脉冲的调制信号则由DSP内部的PWM来实现控制输出，这样主控制板收到的控制信号就在基值信号和峰值信号之间有调制信号来高速转换，再配合以主控制板模块为主的内环控制来输出最终的脉冲电压和电流。当系统由于不可预见的因素产生非线性时，DSP可以由人工来设定一个补偿值来提高电源的线性度。

另外，本方案的实施离不开软件系统的支持，大部分的运算处理和精度控制都是由软件程序完成的。软件程序的运行过程如下：

如图6所示，在硬件电路上电启动后，DSP控制板内的程序开始运行。程序运行后开始执行DSP内编制的程序，首先进行系统的初始化，系统初始化主要是读取一些运行参数和对外部的器件设备进行初始化设置。

在进行完系统初始化后，开始进入主程序循环，在主程序中，首先要扫描是否有按钮按下，如果有按钮按下，则进入按钮事件处理子程序，然后根据用户的操作，保存更改的参数。然后进入输出模式判断程序段。

如果没有按钮按下，就开始扫描是否有旋钮调节，如果没有旋钮调节，则直接向下执行。如果有调节，则进入旋钮调节事件处理子程序，执行完毕后，保存数据更改，然后进入电源工作模式判断，工作模式主要有两种：连续输出模式和单脉冲输出模式。

在连续输出模式下，采样滤波后马上进行外环PID(ProportionIntegration Differentiation比例积分微分)控制并进行DA输出。在单脉冲输出模式下，采样滤波要得到电源输出的基值和峰值，但此时不进行控制输出。

接下来判断是否到了1/4秒时钟中断，如果没有到，则转到主循环程序的开始。如果到了1/4秒时间，程序继续向下执行，开始统计安时和控制节点信号输出。

之后程序判断电源是否工作在连续恒流输出模式，如果是则对电流输出的非线性段进行补偿，然后输出脉冲调制控制信号。如果不是则直接输出脉冲调制控制信号。

然后继续判断电源工作模式，如果在脉冲输出模式，则根据脉冲设置计算PID脉冲输出外环控制信号来控制脉冲精度，并进行显示和I/O口输出处理；如果在连续输出模式，则直接进行显示和I/O口输出处理，并至此返回完成主循环。

本方案软件算法主要是以PID为主，PID的理论公式为：

，转化为C语言的形式为：OUT＝.P*(E0-E1)+I*E0+D*(E0-2*E1+E2)，其中OUT为PID的输出即控制量的偏差，P为比例参数，I为积分参数，D为微分参数，E0、E1、E2分别为当前采样时刻、上一采样时刻和再上一采样时刻的系统控制误差。程序在进行完初始化和按键事件处理后进入到了工作模式判断，如果是在连续输出的情况下则马上进行电压电流A/D采样，外环控制PID运算，为了防止设置值的突变导致功率突然变化而威胁到功率管的安全，运算结果进行最大值限制来实现功率输出的缓变换效果。如果电源工作在脉冲模式时，系统只是进行基值电压电流采样，峰值电压电流采样，而不进行PID运算控制输出，主要是由于脉冲的频率较低，在如此高速的处理器上全速运算处理会使偏差增大。之后便是等待0.25s时钟中断，在时钟中断服务中，我们完成了安时计的处理，非线性补偿处理和IO处理等事情，接下来就是计算控制脉冲基值和峰值的PID输出值，之所以放到这里是由于此时的运算频率和时间中断一致为4Hz，这个频率对于最高只有1kHz的输出脉冲来讲较为合适。

以上即为本实用新型所述脉冲电源脉冲精度控制电路及其运行软件流程的简要描述。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种脉冲电源脉冲精度控制电路，其特征在于：该电路包括DSP控制板，主控制板，按键显示板和开关电源主电路板；DSP控制板与主控制板之间形成外环控制回路，主控制板采用PWM控制技术形成内环控制回路。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述开关电源主电路板向主控制板提供反馈信号、BLOCK信号和限流信号。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于：所述主控制板内环控制电路包括PWM控制器、电压电流采样放大电路、CPLD可编程芯片、模拟多路复用器及驱动芯片；其中，电流和电压反馈信号经过运算放大电路进行放大，再经过PWM调制和CPLD驱动脉冲整形，然后驱动信号经过变压器耦合送至功率管，并根据限流信号和BLOCK软关机信号进行相应的输出调整。

4.如权利要求1述的电路，其特征在于：所述DSP控制板与按键显示板、主控制板及开关电源主电路板分别进行交互；其中，DSP控制板控制主电路的缓启动、主电路风扇的启停和调速、RS-485通讯数据交换、继电器信号输出，并接受主电路上的功率板温度信号、初级电压检测。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述外环控制回路的信号流动包括，DSP控制板接收主控制板的电压、电流和异常检测信号，并回输基值设置、峰值设置和脉冲调制信号，同时建立主控制板与按键显示板之间显示信号及控制信号的连接。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于：所述外环控制回路通过比较器完成电压、电流的基值和峰值与由A/D采样处理的反馈信号之间的比较环节。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于：所述比较器环节包括：连续恒压比较，连续恒流比较，脉冲电压基值比较，脉冲电压峰值比较，脉冲电流基值比较，脉冲电流峰值比较。

8.如权利要求5所述的电路，其特征在于：所述DSP控制板中的三组模拟多路复用器选定CV/CC控制、输出模式控制、脉冲调制控制三个外加控制信号，并将其作为内环设定信号输入到内环控制回路。

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