Ｂｕｃｋ电路数字控制设计
[摘要]数字控制逐渐和电力电子应用紧密结合。文中针对Buck 型电路建立了单电压环控制的数学模型，基于Atmel公司的8位AVR芯片ATmega8的高性能以及适合电源管理的特性，给出了详细的系统设计和控制参数，并用matlab进行了仿真验证。
[关键词]数字控制 Atmega8 buck matlab/Simulink
引言
随着电路集成技术的提高，各种单片微处理器性能已经可以达到实时控制的要求；而且数字控制电路具有高性价比、高兼容性的特点，满足环保、智能化的要求，功能扩展方便。本文基于Buck降压电路，针对Atmel公司的8位AVR芯片ATmega8的高性能以及适合电源管理的特性，着重研究了Buck电路的数字控制方法与原理。
一、Buck型降压电路的设计
Buck电路是应用很广泛的降压电路，主电路由不受控整流管、电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧由开关管的通断实现对输入电压的斩波；输出侧有电感、电容组成二阶滤波网络，可以减小输出电压、电流纹波。
图1是Buck电路的工作原理方框图。
设定开关频率fs=100KHz，输入电压vi在20V~9V之间波动，额定值为12V，输出电压Vo为5V，额定负载电流6A。5.5V为过压保护点，4.2V定为欠压保护点。
选择滤波电感L为39.4uH，输出滤波电容C为820uH，其等效串联电阻Esr为0.036，输出端电压纹波峰峰值0.036V。
二、基于ATmega8的Buck电路控制方案
1.ATmega8的特性简介
ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，并且在软件上有效支持C高级语言及汇编语言。
ATmega8工作电压4.5V—5.5V，工作频率0MHz-16MHz，有着8路10位逐次比较的ADC，三通道PWM以及适合电源管理控制的快速PWM工作模式，特有ADC噪声抑制模式以降低ADC转换时的开关噪声。
ADC的逐次比较转换电路需要一个50kHz—200kHz之间采样时钟。一次常规的A/D转换需要13个ADC时钟周期，即最快65uS作为一个采样周期。考虑到A/D转换速度较慢，对降压电路环路控制采用单电压环结构。
2.数字控制环路设计
首先提出两项常规的环路设计要求：在额定输入和满负载情形下相角裕度45°，速度误差系数100。
依据ADC稳定工作的性能，选择采样频率fsp为12.5KHz，即采样周期为80us，穿越频率选择在500Hz。
通常希望在系统开环截止频率处，由零阶保持器引入的相位迟后不大（5°—10°），这样对原系统相位稳定裕度影响不会太大。由此确定采样周期。
三、数字控制系统编程实现
整个数字控制系统的结构图包括几个独立的功能模块：初始化模块、PI算法模块、软启动算法模块、占空比限值模块、中断程序模块，控制、连接这些功能模块，就构成了一个完整的系统。这种模块式的软件设计使得程序清晰、简洁。
系统初始化工作是程序运行所必须的步骤。主程序完成系统的软起动、电压电流保护子程序。
中断程序完成采样输出、环路计算得到下一个开关周期的输出占空比。首先为中断现场保护，保存累加器、状态寄存器等；再读取AD 寄存器得到采样信号值，计算输出占空比；程序在每一个中断周期内实时判断输出电压信号的过压、欠压情况，即时进行保护；最后为现场恢复和返回。
结束语
本文设计的数字控制Buck电路可以与传统模拟控制芯片的控制效果相当，证明了数字控制系统的优良性能。这说明数字控制在高频开关电源控制领域也有着十分广阔的应用前景。
参考文献