基于PFM升压转换器的微机器人驱动系统的研究

2006-05-07 15:49:34来源: 电子技术应用

近年来由于核工业、发电、化工等行业对细小管道维护的需要,管道内微机器人的研究成为人们关注的热点。这种管道的直径一般为20~30mm。对于采用有垂直爬坡能力的管道内微机器人,其控制器的设计要求是对电压的幅度、频率、占空比均可调。笔者设计的管道内壁检测微机器人控制器的输入电压为5V,输出电压为-70~+70V,频率为1kHz,占空比为25%(下坡)或75%(爬坡)。设计时要求电路要尽可能小、功耗尽可能低,以便能够采用多芯片封装技术集成到单一芯片上,并直接装载在微机器人上。

根据以上要求,采用MAXIM公司低功耗的基于PFM的DC-DC升压芯片、串行输入DAC、8引脚的MCU以及MOSFET驱动芯片组成数模混合电路。

1 PFM升压转换器的原理

1.1 升压转换器

为了减小体积和重量,微机器人采用电池供电。为保证系统稳定可靠地工作,需要一个稳定的电源电压。简单的三端线性稳压器无法满足要求,只有采用升压型开关稳压器。

升压型DC-DC转换器的电路结构原理如图1所示。开关K接通时电池B给电感L充电,在L中以磁能的形式储存能量,K断开后L中的磁能又以电能的形式释放给滤波电容C2和负载R1。周期性的开关操作使电池能量源源不断的送入负载,而输出电压被转换为:

VOUT=VIN/(1-δ)    (1)

其中,δ为开关占空比。控制电路监测输出电压并控制占空经,从而达到调节和稳定输出直流电压的目的。

1.2 PFM控制器

常见的控制方式有PFM脉冲频率调制和PWM脉冲宽度调制。前者具有较小的静态电压,轻载情况下效率较高,但绞波稍大;后者在重载时具有较高效率,噪声小。而采用改进的限流单稳态时序PFM控制器则同时具有较小的静态电流和重载时较高效率的优点,故采用该种控制器来驱动外部MOSFET。限流单稳态时序PFM控制器原理图如图2所示。它利用一个误差比较器、电流检测放大器、最小关断单稳态和最大开启单稳态作为反馈和控制,消除了传统门电路振荡器引起的时间限制。

由图1、图2可知,当输出电压降低时,误差比较器设置电路开启外部MOSFET(即开关K),通过MOSFET的电流增长向电感L存储能量,当电流检测放大器或最大时间单稳态触发后,MOSFET关闭,输入电流的中断导致电感产生电压尖峰,从而迫使电感的电流通过输出二极管D到输出滤波电容C2和负载。当存储的能量释放时,电流下降,直到二极管关断。通过二极管的电流大时,输出滤波电容存储能量,电流变小时再释放能量,保持稳定的输出电压。

由于电感和峰值开关电流不独立,无法直接计算,一般只能靠多次试验来估计。本文采用由Darryl Phillips提出引入ξ(Xi)的方法,快速地推算关键参数及选择外部器件。ξ(Xi)是时间参数的比值,也就是没有负载时的电流和电路满负载时的电流下降时间之比。单稳态时序PFM控制器最大频率时有最大负载,而这受最小关断时间限制。因此ξ(Xi)由占空比和开启电压以及最小关断时间决定。实际上ξ(Xi)只不过是一个参数,它保证峰值开关电流和电感值的协调,从而达到所希望的输出功率。原算法是基于PFM升压回扫式转换器的,加以改动可用于本系统。

例如在本系统中:输入电压VIN=5V,最大输入电压VIN(MAX)=6V,最小输入电压VIN(MIN)=2.5V,输出电压VOUT=70V,输入电流IOUT=10mA。PFM控制器具有2μs最小关断时间,1.3μs最小开启时间,16μs最大开启时间。

具体计算步骤如下:

①估计最大输入电流

由最小输入电压和输出功率估计最大输入电流为:

IIN,DC(MAX)=[VOUTIOUT(MAX)]/[ηVIN(MIN)]=(70V×10mA)/(0.8×2.5V)=350mA

η是般效率,假设为80%。

②计算点空比

分别计算最大、最小和典型输入电压时的占空比。对于本系统有:

δ(MAX)=[VOUT-Vin(MIN)]/VOUT=(70V-2.5V)/70V=96.4%

δ(TYP)=92.9%, δ(MIN)=91.4%

③计算ξ(AMX)=[TOFF(MIN)δ(MIN)]/[TON(MIN)(1-δ(MIN))=(2μs×0.914)/[1.3μs×(1-0.914)]=16.35

ξ(MIN)=[TOFF(MIN)δ(MAX)]/[TON(MAX)(1-δ(MAX))=(2μs×0.964)/[16μs×(1-0.964)]=3.35

ξ(MIN)描述连续导通模式下电路在最小输入电压时不用控制器的最大开启时间;ξ(MAX)指出控制器何时违背最小开启时间,是检查变压器电感值不太低的预警值。表1是选择ξ(MAX)和ξ(MIN)的参考值。

④选择ξ

ξ选择在ξ(MAX)ξ(MIN)之间,从表1中查得:

ξ=1.2ξ(MIN)=1.2×3.35=4.02

⑤峰值开关电流

ξ值为开关电流选择正确的方程式:

IIN,PEAK=2IIN,DC(MAX)[δ(MAX)+ ξ(1-δ(MAX))=776.1mA

⑥选择电感

电感应该为L(MIN)≤L≤L(MAX);

L(MIN)=[VIN(MAX)TON(MIN)]/(IIN,PEAK)=10.1μH

L(MAX)=[VIN(MIN)TON(MAX)]/(IIN,PAK)=51.5μH

L=[VIN(MIN)TOFF(MIN)]/(IIN

=(2.5V×2μs×0.964)/[776.1mA×4.02×(1-0.964)]=42.9μH

即可选择一个大于等于L的标准电感47μH

表1 ξ(MAX)和ξ(MIN)参考值选择表

ξ(MIN) <0.3 >0.3,<0.6 >0.6,<1 >1 ξ (MAX)
ξ(MAX) >1 >1 >1 (MIN)   (MIN)
ξ建议值 0.4 0.7 1 1.2ξ(MIN),<ξ(MAX) (ξ(MIN)(MAX)/2 输入电压范围太广

2 系统

如图3所示,该系统由升压系统和控制系统(MCU、DAC、全H桥)两部件组成。

2.1 升压部分

MAX1771是MAXIM公司的一种DC-DC转换器控制芯片。要用一种改进的限流PFM控制方式控制电路,限制电感充电电流使其不超过某一峰值电流。由于限制了峰值电流,采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波,整个DC-DC转换器可以做得非常小,利用降低电路的尺寸和成本。

MAX1771及其外转帐电路如图4所示,由升压转换器(MAX1771、L1、Q3)来驱动二极管-电容升压系统(D3/C2、D2/C6、D1/C7)。DAC控制输出电压幅度。为了得到波形稳定的高电压以及较高的转换效率,同时考虑到功耗和电路板的面积,应该合理地选择外围电路的器件。

储能电感L1是影响DC-DC转换器性能的关键器件。当流经电感的电流较大时,由于磁芯和饱和将使实际电感值下降,所以应选用饱和电流较大(大于电感峰值电流)的电感。由前文推导得到应该选取饱和电流不低于1A、电感值47μH左右的电感。工率开关应选用开癖电压较低、导通电阻较小的功率MOSFET。其漏极电流应高于电感峰值电流。为提高转换效率,续流二极管D应选用正向导通压降较低的肖特基二极管,如IN4148。MAX1771内部的电流检测比较器通过检测R2上的电压降,并将其与0.1V的参考电压进行比较,来限制流过电感的峰值电流。由前面的计算可知,电感峰值电流为776.1mA。故应选取R2=0.1V/0.776104A=0.13Ω。而滤波电容的等效串联电阻ESR是造成输出纹波的主要因素,而且也会影响到转换效率,所以应选用低ESR的电容。

2.2 控制系统

控制系统的核心是AT902342和MAX550A.其中,AT902342是ATMEL公司的8位微处理器,控制串行D/A转换器MAX550A以及全H桥。VOUT与VDAC间的关系如图5所示。由MAX550A的输出电压来控制升压部分的输出电压:VDAC由2V降到0V,VOUT可由28V升到71V。采用串模DAC可以节约电路面积和MCU的引脚。而由程式压系统输出的直流电压通过具有自举功能的MOSFET驱动芯片IR2103送入全H桥的桥臂。通过编程接口对AT902343进行编程,便可控制全H桥产生频率为1kHz、幅度为-VOUT~+VOUT、占空比为4:1或1:4的方波。

采用改进的限流PFM升压转换器为微机器人提供驱动电压,具有低静态电流、高转换效率、低功耗和芯片封装小等特点。对于限流PFM升压转换器,电感和峰值开关电流是设计的关键。由于它们不独立,无法直接计算出来,可采用引入没有负载时的电流和电路满负载时的电流下降时间之比ξ(Xi)的方法来推算关键参数和选择外部器件。由MCU、DAC和全H桥组成的控制系统使输出电压的幅度、频率和占空比均可调,可灵活地控制微机器人动作。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1506.html
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