李培正，張 勝，陳志威

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，江蘇南京210046)

基于PID算法的DC-DC電源負(fù)載調(diào)整率改進(jìn)研究

李培正，張 勝，陳志威

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，江蘇南京210046)

負(fù)載調(diào)整率是直流電源的一個(gè)重要參數(shù)，負(fù)載調(diào)整率的高低決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。研究了LM2577升壓芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了兩種提高其負(fù)載調(diào)整率的新方法：(1)在LM2577反饋腳接入可程控?cái)?shù)字電位器，代替原固定電阻，用AD采樣輸出電壓的變化，通過反饋算法調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值，保持輸出電壓穩(wěn)定，進(jìn)而提高其負(fù)載調(diào)整率；(2)在LM2577反饋腳接入加法器，加法器的輸入端分別由輸出電壓分壓端和受單片機(jī)控制的DA提供，單片機(jī)通過采樣輸出電壓來調(diào)整DA的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，提高負(fù)載調(diào)整率。為了縮短調(diào)整時(shí)間，提高控制效率，軟件部分采用了PID控制算法。經(jīng)測(cè)試，在5 V輸入、600 mA負(fù)載條件下，設(shè)定輸出為7 V，方法1和方法2升壓電路的負(fù)載調(diào)整率從1.043%分別提升到0.700%及0.042%；而設(shè)定輸出為12 V時(shí)，負(fù)載調(diào)整率從0.658%均提升到0.008%。同時(shí)，方法2的輸出電壓紋波在10 mV以內(nèi)。

升壓；反饋；PID；負(fù)載調(diào)整率

近年來DC-DC電源在日常生活和電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，其主要功能是將前級(jí)電源的直流電通過一定的電壓變化后提供給后級(jí)使用。隨著應(yīng)用的不斷深入，人們對(duì)電源的參數(shù)要求也越來越高。電源的最重要參數(shù)是輸出電壓的穩(wěn)定性，反映輸出電壓穩(wěn)定性的主要參數(shù)為電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。無論是分立元件電源，還是集成芯片電源，都在努力提高其輸出電壓的穩(wěn)定性[1]，但由于DC-DC電源不是理想的電壓源，受加載效應(yīng)的影響，輸出電壓或多或少會(huì)隨著負(fù)載的增大而降低。隨著開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的提高，其負(fù)載調(diào)整率雖有改善，但總體來看還是不盡如人意。本文以市面上常見的LM2577升壓芯片為例[2]，深入研究了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)，按照數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的推薦參數(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和測(cè)試，測(cè)量了其在輸入電壓為5 V、負(fù)載電流600 mA、輸出電壓分別為7和12 V時(shí)的負(fù)載調(diào)整率，其負(fù)載調(diào)整率大于0.658% (見表1)，輸出電壓的穩(wěn)定性不太理想。為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，一些研究人員在集成電路級(jí)對(duì)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良[3]，也有從板級(jí)電路研究使用模擬控制使電路穩(wěn)定工作的方法[4]。但由于造價(jià)跟電路結(jié)構(gòu)的問題，一直未能大規(guī)模應(yīng)用。本文提出了兩種提高其負(fù)載調(diào)整率的新方法：(1)在LM2577反饋腳接入可程控?cái)?shù)字電位器，代替原固定電阻，用AD采樣輸出電壓的變化，通過反饋算法調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值，保持輸出電壓穩(wěn)定，進(jìn)而提高其負(fù)載調(diào)整率；(2)在LM2577反饋腳接入加法器，加法器的輸入端分別由輸出電壓分壓端和受單片機(jī)控制的DA提供。單片機(jī)通過采樣輸出電壓，來調(diào)整DA的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，提高負(fù)載調(diào)整率，取得了較好的效果。

表1 5 V輸入電壓和不同輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率

1 提高LM2577負(fù)載調(diào)整率的方法

1.1 LM2577電路原理及負(fù)載調(diào)整率測(cè)試方法與結(jié)果

圖1為商家數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的LM2577的參考電路圖。

圖1 LM2577參考電路

由其數(shù)據(jù)手冊(cè)給出輸出電壓計(jì)算公式：

該電路的負(fù)載調(diào)整率測(cè)試方法為：當(dāng)輸出電流為0時(shí)，測(cè)得輸出電壓為，設(shè)定輸出電流600 mA，測(cè)得輸出電壓為，則電壓調(diào)整率計(jì)算公式為：

按照數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的參考電路，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與制作，測(cè)量5 V輸入條件下，7與12 V輸出時(shí)的負(fù)載調(diào)整率(負(fù)載電流最大600 mA)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

1.2 方法1(基于數(shù)字電位器反饋電路的提高負(fù)載調(diào)整率方法)

LM2577電路輸出電壓不穩(wěn)定，負(fù)載調(diào)整率低的主要原因是反饋電路不能智能調(diào)整，當(dāng)R1、R2設(shè)定后就保持不變。因?yàn)楸疚氖紫认氲降乃悸肥牵琑1改用阻值可以程控的數(shù)字電位器，在輸出電壓隨負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)整數(shù)字電位器的阻值，來保持輸出電壓的穩(wěn)定，進(jìn)而提高其負(fù)載調(diào)整率。其電路原理如圖2所示。電路采用10位數(shù)字電位器(AD5293)作為反饋調(diào)整電阻，同時(shí)單片機(jī)通過ADS1115采樣檢測(cè)輸出電壓，并通過計(jì)算確定數(shù)字電位器阻值的變化情況，以穩(wěn)定輸出電壓。

圖2 方法1系統(tǒng)電路

1.3 方法2(基于DA反饋電路的提高負(fù)載調(diào)整率方法)

根據(jù)LM2577工作原理，其控制引腳2的電壓值為固定1.23 V，理論上來說，輸出電壓的大小完全由分壓電阻R1、R2分壓比決定，和負(fù)載大小無關(guān)，也即負(fù)載調(diào)整率為0，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于LM2577內(nèi)部運(yùn)放的放大倍數(shù)不是無窮大、芯片內(nèi)部器件及外圍分壓電阻的不穩(wěn)定等影響，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致電壓調(diào)整率變大。本文提出在LM2577反饋控制引腳2上疊加一個(gè)可程控的電壓信號(hào)()，這樣就可以通過改變這個(gè)電壓的大小，實(shí)現(xiàn)改變LM2577輸出電壓大小的功能。實(shí)際電路中，采樣輸出電壓的大小，反饋給微處理器，然后通過DA調(diào)整控制電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，提高電路的電壓調(diào)整率。

按照LM2577手冊(cè)給出的電路連接電路，并保持自身反饋回路不變，在其反饋腳用同向加法器加入受單片機(jī)控制DA的電壓，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字控制，為了精確控制輸出電壓，在數(shù)字反饋回路中選用12位AD(ADS1115)與12位DA (TLV5638)，總體電路如圖3所示。

圖3 方法2系統(tǒng)電路

為了設(shè)定輸出電壓時(shí)，單片機(jī)能夠更快速地設(shè)定DA初值，本文測(cè)量了DA輸出電壓與電源輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行了兩者關(guān)系擬合，如圖4所示。

擬合后，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

1.4 PID算法及其在本文中的應(yīng)用

在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID算法是應(yīng)用廣泛的一種控制算法[5]，PID算法的一般算式及模擬控制規(guī)律表達(dá)式為：

圖4 DA電壓與輸出電壓的關(guān)系

因?yàn)閱纹瑱C(jī)是通過軟件實(shí)現(xiàn)其控制算法，不能對(duì)積分和微分項(xiàng)直接準(zhǔn)確計(jì)算，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，故必須對(duì)模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行離散化處理，用離散的差分方程來代替連續(xù)的微分方程，其基本思想是當(dāng)采樣時(shí)間很短時(shí)，可用一階差分代替一階微分，用累加代替積分。即：

由此可得離散PID算法表達(dá)式如下：

兩式相減，得：

當(dāng)用戶設(shè)定一個(gè)輸出電壓時(shí)，算法根據(jù)事先擬合出來的關(guān)系曲線，先大致確定一個(gè)與設(shè)定電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字電位器或DA的輸出量，以使輸出迅速向設(shè)定電壓靠近，這類似于粗調(diào)；粗調(diào)完成后，再根據(jù)采樣得到的誤差值基于PID算法對(duì)數(shù)字電位器或DA的輸出量進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 負(fù)載調(diào)整率測(cè)量

按照上述設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)物制作，在5 V輸入電壓下，利用本文1.1節(jié)中的測(cè)試方法，基于方法1的負(fù)載調(diào)整率如表2所示。

同樣，基于方法2的負(fù)載調(diào)整率如表3所示。

表2 利用方法1時(shí)不同輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率

表3 利用方法2時(shí)不同輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率

2.2 不同輸出電壓時(shí)不同系統(tǒng)帶載電壓變化情況測(cè)試

在輸入電壓為5 V時(shí)，針對(duì)輸出電壓為7和12 V兩種情況，分別測(cè)量數(shù)據(jù)手冊(cè)參考電路、方法1(基于數(shù)字電位器反饋系統(tǒng))、方法2(基于DA反饋系統(tǒng))這三種不同系統(tǒng)的帶載電壓變化情況，如圖5、圖6所示。圖中最上方虛點(diǎn)線表示方法1(基于數(shù)字電位計(jì)反饋系統(tǒng))在負(fù)載不斷增大的過程中，升壓電路輸出電壓的變化情況；中間黑實(shí)線表示方法2(基于DA反饋系統(tǒng))在調(diào)節(jié)負(fù)載的過程中，輸出電壓的變化情況；最下方點(diǎn)劃線表示按照數(shù)據(jù)手冊(cè)參考電路連接電路時(shí)，在負(fù)載變化過程中，輸出電壓的變化情況。

圖5 輸出電壓為7 V時(shí)不同電路輸出電壓帶載變化情況

可以看出，在同樣的測(cè)試條件下，對(duì)數(shù)據(jù)手冊(cè)上所給出的參考電路，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓明顯減小，而基于數(shù)字電位器反饋的系統(tǒng)與基于DA反饋的系統(tǒng)都起到了穩(wěn)定輸出電壓的作用。由于受數(shù)字電位器精度的限制，相較于方法1，利用方法2當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文提出了兩種提高電源輸出電壓穩(wěn)定性、改善負(fù)載調(diào)整率的方法，對(duì)兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，當(dāng)設(shè)定輸出為7 V時(shí)，方法1和方法2升壓電路的負(fù)載調(diào)整率從1.043%分別提升到0.700%及0.042%；而設(shè)定輸出為12 V時(shí)，負(fù)載調(diào)整率從0.658%均提升到0.008%，從而證明了這兩種方法的合理性，對(duì)開關(guān)電源負(fù)載調(diào)整率的提升具有參考意義。

圖6 輸出電壓為12 V時(shí)不同電路輸出電壓帶載變化情況

[1]王其崗，榮焱.開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2008(6)：1-5.

[2]蔣玉萍.簡(jiǎn)易型多功能開關(guān)變換控制器LM2577在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].電源世界，2007(7)：48-51.

[3]徐祥柱，王易，陳程，等.一種DC/DC斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)集成電路，2011(7)：31-36.

[4]艾國(guó)昌.數(shù)字控制型雙向DC/DC變換器的研究[D].葫蘆島：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009.

[5]徐鋒，張嫣華.數(shù)字控制系統(tǒng)的PID算法研究[J].機(jī)床電器，2008 (6)：8-10.

Improvement of load regulation of DC-DC power supply based on PID algorithm

As one of the most important parameters of direct current(DC)power supply,load regulation determines the performance of whole system.The internal structure as well as performance parameters of LM2577 boost converter was investigated and two new methods of improving its load regulation were proposed based on this investigation.One method(method 1)was to replace the resistor by connecting a programmable potentiometer to the feedback pin of LM2577 and sample the variation of output voltage using an AD converter.The potentiometer was adjusted under the control of feedback algorithm to keep the output voltage stable, thus the load regulation was enhanced.In the other method(method 2),an adder was connected to the feedback pin of LM2577 to stabilize the output voltage of DC power supply and increase the load regulation.A voltage divider made up of resistors divided the output voltage and provided the divided voltage to one input of the adder.The other adder input came from DA converter controlled by microcontroller.To reduce the adjust time and increase the efficiency,PID algorithm was applied in the software part of the system.12-bit AD(ADS1115),12-bit DA(TLV 5638)and 10-bit programmable potentiometer(AD5293)were used to test the methods above under the condition of 5 V input voltage and 600 mA load current.When output is set to 7 V,the load regulation is improved from 1.043%to 0.700%and 0.042%by applying the first and second method,respectively.When output voltage equals 12 V,the improvement is from 0.658%to 0.008%.Meanwhile,the method 2 suppresses output voltage ripple to be less than 10 mV.

boost;feedback;PID;load regulation

TM 547

A

1002-087 X(2016)06-1286-04

2015-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(31272511)

李培正(1992—)，男，江蘇省人，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與信息處理。

張勝