基于Proteus的Boost电路控制仿真分析_陈庆明.pdf

电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 19Electronics 电子学中建立Boost电路及其单片机控制系统，并且分析线性递增算法及其PID算法，通过单片机对两种算法进行了编程仿真对比分析。在理解Boost电路及其控制原理的同时，探究两种算法的优劣，同时验证该仿真实验平台的可行性。2 控制平台总体设计仿真平台总体上主要分为升压斩波Boost电路及其控制系统两部分组成。Boost电路除了需要设计电路以外，对于关键器件如电感、电容的参数配置也是很重要，既需要理论计算，也需要实践过程中调试和优化9-11。电源的单片机控制系统主要由PIC单片机及其程序、驱动电路、反馈电路等部分组成，Boost电路的输出电压、输出电流检测后，经过电压、电流的控制算法计算，改变PWM占空比，进而控制Boost电0 引言开关电源是一门实践需要多且理论知识深奥抽象的课程，在教学过程过程需要实验操作，以掌握理论并在实践中锻炼创新能力1。采用Proteus设计和仿真,能够在一定程度克服了试验操作的在时间与空间上局限性，便于试验与研究的进行；同时，通过Proteus设计和仿真，使单片机控制电源的设计和算法得到了检验，有利于电路的创新设计和算法的创新与优化，为单片机控制数字电源提供了仿真的实验平台2-8。1 研究背景升压斩波（Boost）电路是开关电源的重要电路，它使得输入电压在一定波动范围时稳定升压输出到目标的电压。本文基于Proteus仿真软件搭建了Boost电路单片机控制仿真实验平台，在该平台基金项目：2021年广东省普通高校青年创新人才类项目(2021KQNCX231)，2021-2022年度高职教育教学改革研究与实践项目（2022JYYB014），2022年校级产学研专项项目（2022CXY03），2021年度中山火炬职业技术学院校级课程思政示范项目（2021KCSZ14），2021年广东省高职教育教学改革研究与实践项目（GDJG2021480）。作者简介：陈庆明，中山火炬职业技术学院；研究方向：电路控制、仿真技术。收稿日期：2022-09-01；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述Proteus仿真软件设计了PIC单片机控制Boost电路仿真实验平台，该仿真平台由Boost电路与单片机控制系统软硬件组成，通过硬件电路和程序设计，实现Boost电路恒压或恒流控制。探讨线性增量算法与PID控制算法，仿真实验平台对这两种算法的控制效果对比分析。结果表明，两种算法都能实现Boost电路的升压恒压输出，线性增量算法简单但超调量较大，控制速度较慢；PID控制法控制速度较快，但参数整定过程复杂。关键词：电路仿真，升压斩波，单片机，控制算法。中图分类号：TP368.1，TP391.9文章编号：1000-0755(2023)06-0019-05文献引用格式：陈庆明，廖鸿飞，梁奇峰，何薇薇.基于Proteus的Boost电路控制仿真分析J.电子技术,2023,52(06):19-23.基于Proteus的Boost电路控制仿真分析陈庆明，廖鸿飞，梁奇峰，何薇薇（中山火炬职业技术学院，广东 528436）Abstract This paper designs a simulation experiment platform of boost circuit controlled by PIC single chip microcomputer based on Proteus simulation software.The simulation platform is composed of boost circuit and MCU control system software and hardware.Through hardware circuit and program design,the constant voltage or constant current control of boost circuit is mainly realized.Based on the research of linear incremental algorithm and PID control algorithm,the control effects of the two algorithms are compared and analyzed on the simulation experimental platform.The results show that both algorithms can realize the boost constant voltage output of boost circuit.The linear increment algorithm is simple and easy to understand,but the overshoot is large and the control speed is slow.The PID control method has fast control speed,but the process of parameter setting is complex.Index Terms circuit simulation,Boost circuit,single processor chip,control algorithm.Analysis of Simulation of Boost Circuit Control Based on ProteusCHEN Qingming,LIAO Hongfei,LIANG Qifeng,HE Weiwei(Zhongshan Torch Polytechnic,Guangdong 528436,China.)20 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Electronics 电子学路开关，实现电压及电流控制在设定的范围内。在PIC单片机开发环境MPLAB上编写程序及算法，控制单片机的I/O口、中断、定时器、AD 转换、PWM等，完成了单片机控制Boost电路电压或电流目标。同时通过Proteus软件平台上虚拟现实的实际操作，满足数字电源系统的设计仿真调试，为产品开发基于单片机的嵌入式功能提供平台基础。该平台主要功能是首先采集Boost电路的输出电压，把输出电压经过电阻分压后，给到PIC单片机模拟输入端检测，并经过单片机内部ADC转化为数字值；判断输出电压是否满足要求，当检测电压没有满足设定的电压范围时，启动控制算法计算控制量，并由PIC单片机内置CCP模块发出调整占空比后PWM，经过驱动电路放大后控制功率开关器件，进而控制Boost电路的输出电压，输出电压直至满足设定电压要求。为了满足不同产品的控制要求，平台同时设计了电流检测，电流在电阻上的分压经过放大之后进入单片机检测，与电压控制原理和过程基本一致。同时，还设置了按键，可通过按键设置电压或者电流的数值范围。整体控制框图如图1所示。3 Boost电路升压斩波Boost电路是一种基本的直流斩波电路，其特点是输出电压高于输入电压，其电路结构如图2所示12，电路的构成主要由功率开关器件VT、升压二极管VD、升压电感Lf和滤波电容Cf构成；Vgs是开关器件驱动信号，RL是负载。以输入30V，输出60V为例子，在Proteus软件上建立Boost电路仿真实验平台如图3。实验平台中功率开关器件VT是N沟道MOS管，要使得该管能够导通，必要条件是MOS管G极与S极的电压差为正向电压，即Vgs0。升压二极管D1为1N4004。驱动信号G-PWM由单片机引脚输出并经过驱动电路放大所得。滑动变阻器可以模拟实际负载的大小的变化。仿真实验平台中可以适当增加电压表、示波器等仪器观察实验现象。升压电感L1与滤波电容C1是Boost电路实现升压且恒压输出的关键器件。（1）电感工作于临界模式或者断续模式下，电感值设计要求如式（1）。（1）式中，D为占空比，fs工作频率，Vo输出电压，Iin为输入电流，假设能量转换效率为，那么输入电流Iin=输出功率/输入电压Uin。当输入为30V，输出为60V，若输出功率为60W，频率为10kHz，假设为0.9，电感量计算得到式（2）。（2）取L1=0.3mH，或者0.4mH。（2）输出滤波电容C1主要起到滤波作用，它的大小影响输出电压纹波大小。电容的等效串联电阻ESR可以由波电压与纹波电流的比值得到。电解电容ESR的值近似为常数，约为(5080)10-6 F。假设纹波电压峰-峰值为0.12V，输出电流纹波Io取0.1A，那么存在关系是：0.12=IoESR，ESR=1.2。若ESRC1=5010-6F，则C1=5010-6/1.241.7F。根据实际情况，在下面的仿真和实验电路中选择C1=47F。4 控制系统硬件设计 4.1 主控芯片本仿真平台的主控芯片采用PIC16F877A单片机，PIC单片机是许多开关电源电路的主控芯片，与AT89C51 相比，稳定性更好，速度更快，效率更高，保密性更好，因此成为许多厂家产品开发中选择的单片机13-15。PIC单片机的资源分配如下：RD0RD7、RB0RB3口与显示数码管相连，用于控制数码管的位选与段选；使用PIC内部CCP模块发出PWM到RC2口，该口与MOS管驱动电路相连；RA0RA1引脚检测Boost电路输出经过分压后的电压值；PC5RC7引脚检测按键状态。4.2 电压、电流采集模块电压采集电路如图4，Boost电路输出电压OUT比起单片机最大可检测电压5V远远要大，因此输出电压需要经过两个电阻分压，得到的电压输入到单片机模拟输入引脚RA0检测电压。考虑到理想输出电压60V存在一定波动性，当设计输出电压范围为0100V时，可设计分压电阻比值为19:1，取19k与1k。为了在实验中调试检测模块，仿真平台上可以图1 控制框图图2 Boost电路拓扑图3 Boost电路仿真图电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 21Electronics 电子学增加电压表观察单片机的输入电压。考虑有些开关电源产品或者某些工况下需要Boost电路恒定电流输出，在平台上增加电流检测功能。由于电流难以直接检测，因此通过检测电流在电阻上的压降来检测电流。为了减少主回路串联电阻的影响，平台的电流检测电路选择较小的0.1R的电阻。电流值在0.1R电阻上的压降较小，经过放大之后，进入到单片机模拟输入引脚RA1检测电压。假设本设计输出电压60V，功率为60W，则额定电流1A，设计预留30%冗余，所以电流在0.1R电阻上降压最大值是0.13V，电流经过LM358芯片及电路放大30倍之后再到PIC单片机的输入AN1通道检测，如图5所示。4.3 驱动模块单片机产生的PWM高电平为5V，电流最大为25mA，难以驱动功率管开关，需要把单片机PWM放大之后驱动MOS管。可以采用单个三极管、芯片等方式驱动，设计采用互补三极管驱动MOS管，驱动电路如图6所示。驱动电路输入是单片机CCP1模块产生PWM，CCP1对应是C端口的2管脚，输出的PWM信号经过驱动放大后得到G-PWM信号，连接到MOS管G极。PWM呈现高低电平交替，当RC2输出为高电平时，NPN三极管Q4导通，PNP三极管Q3由于基极低电平而导通，NPN三极管Q1由于基极低电平而不导通，控制N型MOS管的G-PWM信号为低电平，这时MOS管导通条件不成立。反之，RC2输出低电平时，G-PWM信号为高电平，Vgs0，因此MOS管导通。4.4 按键设置模块本设计按键模块如图7所示，用来设定电压、电流的额定值，有3个按键，分别有单片机的RE0、RE1、RE2检测，依次为功能（恒压或恒流）选择键、加1键、减1键。默认模式下是恒压工作控制，默认设定电压为60V。4.5 显示模块显示模块采用较为简单的数码管，如图8