基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)

胡時高，虎恩典，丁曉軍，劉 勇

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，銀川 750021)

基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)

胡時高，虎恩典，丁曉軍，劉 勇

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，銀川 750021)

0 引言

開關(guān)電源以其體積小、重量輕和效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、家用電器、交通設(shè)施、通信和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。高可靠性、智能化及數(shù)字化是高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。一般的開關(guān)電源受專用脈寬調(diào)制IC固有功能的限制，而且控制電路復(fù)雜，由模擬元件存在的老化和溫漂等問題所引起的誤差使得開關(guān)電源的可靠性及精度較差。而數(shù)字系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短，易實(shí)現(xiàn)模塊化管理，能減小模擬元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此數(shù)字控制在開關(guān)電源中得到迅速發(fā)展[1]。DSP芯片的高速處理能力和豐富的外圍設(shè)備，非常適合于實(shí)時數(shù)字信號處理，為開關(guān)電源采用全數(shù)字控制提供了可行性方案[2]。本文將DSP技術(shù)及數(shù)字PID控制應(yīng)用于開關(guān)電源，簡化了控制電路，減少功耗，提高了控制靈活性和設(shè)備的可靠性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源基本組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由功率主電路、輔助電源電路和以DSP為核心的控制電路組成。主電路由交流輸入EMI防電磁干擾電源濾波器、整流濾波、高頻變換器和高頻整流濾波輸出四部分組成[3～6]?？刂齐娐返墓δ苁菍?shí)現(xiàn)信號處理、閉環(huán)控制、故障保護(hù)等，通過調(diào)節(jié)主電路中開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比來控制主電路輸出。其中，檢測電路負(fù)責(zé)功率主電路電流和最后輸出直流電壓的檢測取樣；驅(qū)動電路對DSP輸出的PWM信號進(jìn)行隔離、放大，并產(chǎn)生驅(qū)動功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號；保護(hù)電路當(dāng)過壓、過流時封鎖PWM脈沖輸出，保護(hù)系統(tǒng)，它是電源系統(tǒng)可靠工作的保證。圖中虛線框內(nèi)為TMS320LF2407A控制部分，完成信號的A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出和保護(hù)控制。輔助電源為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證它們工作穩(wěn)定可靠[5]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 開關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 主電路原理圖

電源功率主電路用“AC-DC-AC-DC”變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中高頻開關(guān)變換器是核心部分，采用典型的雙管半橋它激式電路，如圖2中虛線框內(nèi)“高頻逆變”所示，圖中Q1、Q2為功率三極管，T1為高頻變壓器，T2為推動變壓器，C5、 C6為均壓電容，這些與一般的開關(guān)電源相同。其中串聯(lián)耦合電容C7用以改善高頻變壓器的偏磁性能[6]?；竟ぷ髟硎牵?220V單相交流電經(jīng)EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓，經(jīng)由Q1、Q2構(gòu)成的逆變電路產(chǎn)生高頻開關(guān)脈沖，在T1副邊線圈感應(yīng)出交變的方波脈沖，后經(jīng)高頻整流和LC濾波，得到所需的較高品質(zhì)的直流電壓[5,9]。本設(shè)計(jì)最后輸出五種不同電壓分別為±12V，±5V，3.3V，最大總輸出功率可達(dá)210W。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

因DSP產(chǎn)生的PWM信號很難直接驅(qū)動半橋逆變電路的功率開關(guān)管，所以要在DSP和半橋變換器之間加一個驅(qū)動電路，增加驅(qū)動功率，同時實(shí)現(xiàn)DSP控制回路與功率主電路的電氣隔離，保證DSP系統(tǒng)正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用變壓器隔離驅(qū)動電路如圖3所示。DSP引腳PWM1和PWM2輸出相位差180o的脈寬調(diào)制控制信號，控制推動管Q3、Q4集電極所接T2推動變壓器初級繞組的激勵振蕩，在T2次級它激振蕩產(chǎn)生的感應(yīng)電勢作用于功率開關(guān)管Q1、Q2的基極與發(fā)射極之間，從而控制主開關(guān)變壓器T1初級線圈的振蕩。其中D5、D6及C9確保Q3、Q4基極有低電平脈沖時能可靠截止。

圖3 功率開關(guān)管驅(qū)動電路

3 DSP控制電路設(shè)計(jì)

隨著開關(guān)電源不斷朝著高頻數(shù)字化發(fā)展，利用高性能DSP芯片對電源控制，不但可以簡化電路設(shè)計(jì)，還能快速有效實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法?？刂齐娐凡捎肨MS320LF2407A DSP芯片，它集實(shí)時處理和控制外設(shè)功能于一體，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很好的解決方案[7]。

3.1 TMS320LF2407A DSP特性概述

3.2 PWM波形的產(chǎn)生

1)通用定時器產(chǎn)生

每個GP定時器都有相應(yīng)的比較寄存器TxCMP和輸出引腳TxPWM，當(dāng)GP定時計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值產(chǎn)生比較匹配時，TxPWM引腳電平發(fā)生跳變，輸出PWM波。為了設(shè)置GP定時器以產(chǎn)生PWM波，需要做以下工作[7,8]：

(1)根據(jù)預(yù)定的PWM周期設(shè)置TxPR；

(2)設(shè)置TxCON寄存器以確定計(jì)數(shù)模式和時鐘源，并使能GP定時器比較輸出操作；

(3)將PWM脈沖占空比加載到TxCMPR寄存器中。

2)用比較單元與脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生

每個EV包括3個比較單元，每個比較單元都有一對PWM輸出。為產(chǎn)生一個PWM信號，需選擇GP定時器1或3在PWM周期內(nèi)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與比較寄存器的值產(chǎn)生比較匹配時，相應(yīng)的PWM輸出引腳電平跳變，輸出PWM波。PWM波形產(chǎn)生的設(shè)置如下[7,8]：

(1)設(shè)置和裝載ACTRx寄存器；

(2)若需要死區(qū)，則設(shè)置DBTCONx寄存器，避免半橋電路上下臂開關(guān)管直通；

(3)初始化CMPRx寄存器；

(4)設(shè)置和裝載T1CON或T3CON寄存器來啟動比較操作；

(5)更新CMPRx寄存器值，以改變PWM波占空比。

另外根據(jù)實(shí)際需求，可以選擇GP定時器的計(jì)數(shù)模式以產(chǎn)生對稱或非對稱的PWM波[10,11]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知，用GP定時器產(chǎn)生跟比較單元與脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的PWM波相比，前者無論從產(chǎn)生后級推動變壓器輸出波形的最佳性及對死區(qū)控制的靈活性均較后者要優(yōu)越性些，因此本設(shè)計(jì)采用前種控制方式，即用T3、T4的比較寄存器與計(jì)數(shù)寄存器通過比較匹配來產(chǎn)生非對稱PWM波，同時為避免半橋電路兩開關(guān)管的開通脈沖出現(xiàn)重疊而造成上下橋臂直通短路，在程序中設(shè)置約17us的死區(qū)延時，這樣保證其中一管導(dǎo)通前另一管子完全關(guān)斷。

3.3 電壓檢測

為了對輸出電壓進(jìn)行控制及保護(hù)，需要實(shí)時采集輸出電壓信號，DSP內(nèi)部將模擬電壓經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入DSP存儲器中，CPU再對電壓信號進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，以達(dá)到控制輸出的目的。因DSP只能采集0～3.3V的電壓信號，所以在輸入信號進(jìn)DSP的ADC之前，要對信號進(jìn)行調(diào)理，包括輸入阻抗調(diào)整及硬件濾波，濾除不必要的干擾信號。本系統(tǒng)電壓檢測電路如圖4所示，運(yùn)放采用MCP604，單電源3.3V供電，構(gòu)成電壓跟隨器，作為輸入模擬信號的驅(qū)動和緩沖器，提供穩(wěn)定的輸出阻抗，并且保護(hù)DSP的ADC輸入端[8]，R16、C12形成低通濾波。

圖4 輸出電壓采樣電路

3.4 過壓過流保護(hù)

4 系統(tǒng)控制算法及軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)字PID控制

為保證電源輸出電壓動態(tài)穩(wěn)定，借助DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能，采用LF2407A實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制，本設(shè)計(jì)采用位置式PID控制，其離散表達(dá)式[1]為：

式中：e(k)為控制器輸入偏差，Ts為采樣周期，u(k)為PID調(diào)節(jié)器第k次輸出量。第k-1次PID控制器的輸出量如式（2）所示。

式(3)中，Kp為比例系數(shù)，Ki=KpTs/ Ti為積分系數(shù)，Kd=KpTd/ Ts為微分系數(shù)。于是得位置式PID控制的增量式遞推表達(dá)式為：

為減小檢測輸出偏差信號干擾，提高系統(tǒng)可靠性，在PID調(diào)節(jié)前，DSP先對電壓采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波[1]，即連續(xù)采樣輸出電壓，然后求其平均值作為有效采樣值。開關(guān)電源PID控制原理如圖5所示。

圖5 開關(guān)電源PID控制原理圖

通過PID控制來實(shí)時修改PWM波占空比，改變半橋變換器中開關(guān)管導(dǎo)通時間，從而控制輸出電壓大小。在本設(shè)計(jì)中，若輸出電壓檢測值超過設(shè)定值，則增大DSP輸出的PWM波形占空比，于是驅(qū)動電路中推動變壓器初級側(cè)激勵脈沖寬度變窄，使得開關(guān)管導(dǎo)通時間變短，輸出電壓降低。

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、ADC中斷服務(wù)程序及PID控制子程序等三部分，如圖6所示。主程序中首先進(jìn)行系統(tǒng)配置及初始化，然后初始化ADC、PWM及PID控制模塊參數(shù)，在等待中斷的時間內(nèi)采集輸出電壓，若發(fā)生ADC中斷則進(jìn)入相應(yīng)的流程。本設(shè)計(jì)中CPU時鐘頻率設(shè)為40MHz，ADC模塊每10ms采樣一次，由EVA的T2周期中斷標(biāo)志來觸發(fā)，EVB的T3、T4產(chǎn)生PWM1和PWM2。T3、T4均采用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，TxCNT與TxCMPR（x=3,4）值通過比較匹配產(chǎn)生非對稱PWM波，且載波頻率為25KHz。數(shù)字PID運(yùn)算都在ADC中斷中調(diào)用執(zhí)行，得到的輸出控制量u(k)經(jīng)限幅后賦給TxCMPR，即在程序中加入下面語句來實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整PWM波占空比：

其中T3PWM輸出極性設(shè)置為高有效，T4PWM設(shè)為低有效，CMAX為定時器計(jì)數(shù)最大值，Uk為PID控制器第k次輸出。

圖6 程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7是在示波器中觀測到的LF2407A引腳波形，通道1、2波形分別為T3PWM和T4PWM產(chǎn)生的一對PWM波輸出。圖中輸出脈沖幅值約為2.6V，周期40us，此時占空比是88.1%。

圖7 TMS320LF2407A輸出兩路PWM波形

圖8是12V電壓輸出端特性波形。由圖可知，當(dāng)開關(guān)電源剛上電時，由于輸出電壓檢測值遠(yuǎn)小于設(shè)定電壓，使得PID控制輸出達(dá)到飽和上限，輸出電壓迅速上升到最大并出現(xiàn)較小超調(diào)。由于電網(wǎng)波動，當(dāng)輸出電壓突然增大到接近過壓值時，軟件執(zhí)行過壓保護(hù)程序，開關(guān)管立即進(jìn)入預(yù)關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓也減小。當(dāng)檢測值大于設(shè)定電壓時PID輸出減小，輸出電壓也相應(yīng)減小，從而維持輸出電壓恒定。

圖8 電壓輸出特性波形

圖9是12V輸出電壓端加阻容負(fù)載時的特性波形。圖中可知，緩慢增加負(fù)載時，輸出電壓基本不變，即使突加負(fù)載，通過閉環(huán)PID調(diào)節(jié)作用，也能維持輸出電壓的恒定，負(fù)載調(diào)整率維持在1%～3%，穩(wěn)態(tài)性能也較好，若選擇更合適的PID參數(shù)，則可進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使電源輸出特性最佳。

圖9 輸出電壓負(fù)載特性波形

6 結(jié)束語

本文將DSP作為開關(guān)電源的控制核心，充分利用DSP豐富的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字PID控制、脈寬調(diào)制及故障保護(hù)，簡化了控制電路，提高了控制靈活性和設(shè)備的可靠性。同時利用DSP可以快速實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，使電源具有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度[10,11]，因此DSP控制方式在今后開關(guān)電源的數(shù)字控制中發(fā)揮重要作用。

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Design of digital switching power supply based on DSP control

HU Shi-gao, HU En-dian, DING Xiao-jun, LIU Yong

結(jié)合開關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀，將數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)引入設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步提高開關(guān)電源性能。本文提出了基于DSP的開關(guān)電源數(shù)字PID控制方式，利用DSP事件管理器產(chǎn)生PwM信號，代替了一般的脈寬調(diào)制集成電路，并對其主電路、驅(qū)動電路及控制和保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。試驗(yàn)表明，該方法能實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源的有效控制，不但能簡化控制電路，提高設(shè)備的可靠性，還具有控制靈活、穩(wěn)定快、負(fù)載調(diào)整率高等優(yōu)點(diǎn)，可以在開關(guān)電源中推廣應(yīng)用。

開關(guān)電源；PID控制；脈寬調(diào)制；DSP

胡時高（1986 -），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制。

book=5,ebook=281

TM461.5

A

1009-0134(2014)06(上)-0112-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).33

2014-01-21