基于DSP28335的開關(guān)電源控制策略研究

王子豪

摘要：本文研究采用具有高運(yùn)算精度（32位）和強(qiáng)大系統(tǒng)處理能力的TMS320F28335芯片，通過MEP（Micro Edge Positional）技術(shù)輸出高精度的PWM波，對開關(guān)電源進(jìn)行控制。系統(tǒng)使用脈寬調(diào)制（PWM）控制：固定開關(guān)頻率，通過改變脈沖寬度，來改變占空比。穩(wěn)壓采用DSP28335控制芯片來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)ADC模塊采樣得到的電壓值進(jìn)行反饋，實(shí)時改變輸出PWM波形的占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：DSP28335 脈寬調(diào)制（PWM） 開關(guān)電源

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0022-02

1 引言

電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為線形電源和開關(guān)電源兩大類。其中開關(guān)電源SMPS（Switch Mode Power Supply）又被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。提高開關(guān)頻率可有效地減小開關(guān)電源的體積，這就為研究開發(fā)高效率、高密度、高可靠性、體積小、重量輕的開關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)[1]。

高頻開關(guān)電源自20世紀(jì)70年代突破20kHz以來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其產(chǎn)品的頻率一路飆升到500kHz～1MHz。為了保證高頻開關(guān)電源能夠正常、穩(wěn)定的工作，對控制信號和驅(qū)動信號的要求都非常嚴(yán)格。本文通過TI公司TMS320F28335芯片來輸出高精度的PWM波，來滿足現(xiàn)代開關(guān)電源控制策略的發(fā)展需求。F28335的系統(tǒng)時鐘頻率高達(dá)150MHz理論上輸出高精度的波形頻率可以達(dá)到5MHz以上，通過CCS（Code Composer Studio）軟件編程使PWM波形的占空比隨采樣周期而變化。

2 DSP28335控制流程

2.1 脈寬調(diào)制（PWM）式控制

脈寬調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電等領(lǐng)域；通常開關(guān)電源組成部分，如圖1所示。

本文針對DC-DC變換模塊進(jìn)行控制，主電路為boost電路如圖2所示。系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制方式：PWM波做為控制信號，通過驅(qū)動電路進(jìn)行放大后，驅(qū)動IGBT的開通和關(guān)斷。而波形的占空比隨著負(fù)載側(cè)反饋的電壓值變化，從而完成負(fù)反饋閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)壓抗擾動的效果。

2.2 F28335的模塊使用

PWM模塊來輸出控制信號的脈沖波，通過驅(qū)動電路控制主電路中的IGBT開通和關(guān)斷。使用ADC（Analog to Digital Converter）轉(zhuǎn)換單元將負(fù)載電壓的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入芯片進(jìn)行內(nèi)部計算。為了保證實(shí)時的效果，我們設(shè)定采樣頻率達(dá)到最高的12.5MHz。在本文中，我們僅需要用到1個PWM波形輸出和1路ADC采樣。TI公司為了方便用戶開發(fā)，已經(jīng)寫好了ADC模塊和ePWM模塊的初始化函數(shù)，在主程序中使用語句“InitEPwm1Gpio（）；”“ InitAdc（）；”可直接調(diào)用，該函數(shù)確定了GPIO0和GPIO1為Pwm1工作以及ADC的輸入引腳。

ADC模塊由ePWM1 SOCA啟動，結(jié)果寄存器存放ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量表示為：，ADCLO一般設(shè)置為0，需要注意的是F28335的ADC采樣引腳的輸入電壓范圍是0～3v，負(fù)載電壓需要經(jīng)過分壓電路，才可以接入引腳否則會損壞芯片。

2.3 PWM波形的周期和頻率計算

PWM波形的頻率是由時基周期寄存器（TBPRD）和時基計數(shù)器的計數(shù)模式（TBCTRL）共同決定的。時基計數(shù)器有多種模式，本文使用向上計數(shù)（遞增）模式，在此模式下，時基計數(shù)器從0開始向上計數(shù)，直到遞增到周期寄存器（PRD）的值后，時基寄存器會自動復(fù)位到0，重復(fù)以上動作；時基計數(shù)器的值不斷與比較寄存器（CAMPA，CAMPB）的值相比較，當(dāng)時基計數(shù)器的值等于其中之一時，就會使AQ動作模塊產(chǎn)生輸出口置高、拉低、翻轉(zhuǎn)的動作[2]。

F28335的時鐘頻率最高是150MHz，即=6.67*s= 6.67ns，因為寄存器TBPRD的最大值為65535，所以系統(tǒng)也會存在輸出PWM的最低頻率，若需要頻率較低的波形，可以預(yù)先對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行預(yù)分頻得到頻率較低的系統(tǒng)時鐘[3]。PWM波形周期，和占空比的計算方式如下：

高精度脈寬調(diào)制模塊（HRPWM），當(dāng)PWM的工作頻率較高時，CPU控制精度會下降，一般來說PWM頻率高于200kHz時，就應(yīng)該采用HRPWM模塊來提高精度。HRPWM是基于微邊沿定位（Micro Edge Positional，MEP）技術(shù)，MEP邏輯通過對常規(guī)的PWM發(fā)生器的原始時鐘進(jìn)行細(xì)分，從而可以進(jìn)行更精確的邊沿定位。時間步長可達(dá)150ps的數(shù)量級，HRPWM含有軟件自診斷模式，用以檢查微邊沿定位（MEP）邏輯是否運(yùn)行在最優(yōu)模式[4]。

3 CCS軟件編譯程序

3.1 PID反饋控制函數(shù)

PID調(diào)節(jié)是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)控制方式。在不同的工作環(huán)境下，干擾也是一直存在的，如果干擾存在，系統(tǒng)的實(shí)際輸出值就會偏離期望輸出值，當(dāng)出現(xiàn)這種偏離的時候，系統(tǒng)自身則會利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用再對所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行消除，使系統(tǒng)的輸出值恢復(fù)到期望值上，所以閉環(huán)調(diào)節(jié)對于系統(tǒng)來說十分有存在的必要，它可以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

3.2 輸出變化占空比的PWM波形

在主程序中，程序會先判斷誤差的正負(fù)，如果誤差為負(fù)，則調(diào)用HRPWM1函數(shù)；若誤差為正則調(diào)用HRPWM2函數(shù)。函數(shù)圖像對比如圖3、圖4所示。

當(dāng)誤差為負(fù)時，隨著誤差絕對值增大，占空比D增大，負(fù)載電壓上升；誤差為正時，隨著絕對值增大，占空比D減小，負(fù)載電壓下降，控制回路的負(fù)反饋達(dá)到電路穩(wěn)壓效果，程序如下所示。

在本程序中時基周期寄存器工作在立即裝載模式，而比較寄存器工作在影子寄存器模式，這樣在占空比V_Duty不斷變化時，可以有效地將比較值CMPA送入寄存器中。

4 結(jié)語

由于實(shí)驗條件有限，本次實(shí)驗沒有能夠做出Boost主電路板的實(shí)物，通過3v模擬電源串聯(lián)可調(diào)電阻得到變化的電壓接入ADC輸入引腳，來代替系統(tǒng)采集的負(fù)載電壓。由示波器可以看到GPIO0引腳輸出了理想的波形。

隨著以IGBT為代表的全控性開關(guān)器件制造工藝的升級，耐壓性不斷地提高，并且成本也在不斷地降低，單管變換器的使用將會愈發(fā)廣泛。隨著軟開關(guān)技術(shù)的使用，在不久的將來，也許電力電子領(lǐng)域最可靠的電路亦是最簡單的電路。本文通過DSP28335芯片對開關(guān)電源的DC-DC模塊進(jìn)行控制，設(shè)計了具體方案并列出了詳細(xì)的軟件調(diào)試源程序，對讀者進(jìn)行DSP開發(fā)或者電源設(shè)計具有非常重要的參考意義，最后通過實(shí)驗對理論進(jìn)行了驗證。

參考文獻(xiàn)

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