基于dsPIC33EP控制器的多路電源設(shè)計(jì)

宋敏燕 袁柱六

摘要： 本文采用Microchip公司的16位dsPIC33EP系列芯片控制器作為開關(guān)電源的主控?cái)?shù)字芯片，介紹了數(shù)字化控制多路輸出設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)并制作出原理樣機(jī)。通過原理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了多路輸出且系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并具有故障鎖定及時序控制等智能化功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源 dsPIC33EP 時序控制

1 引言

開關(guān)電源是電子設(shè)備中不可缺少的關(guān)鍵電子元器件，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及電子信息技術(shù)在電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備對開關(guān)電源的功能性要求也越來越高。傳統(tǒng)的模擬開關(guān)電源系統(tǒng)元器件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成度較低；電源的性能指標(biāo)改變時，需要更換的硬件較多，且控制方法不能改變，故其靈活性較差；但是其采用的脈寬控制器構(gòu)成相對簡單，成本相對較低，可靠性高。相對模擬電源，數(shù)字電源可通過軟件編程來修改工作參數(shù)，優(yōu)化電源系統(tǒng)，具有靈活性強(qiáng)、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，同時，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理功能。數(shù)字控制技術(shù)已成為電力電子的一個重要研究方向，也是未來開關(guān)電源的發(fā)展方向之一。

本文中根據(jù)某項(xiàng)目電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，主要實(shí)現(xiàn)輸入電壓18～36V；輸出電壓/電流：+5 V/lOA、+3.3 V/3A、+5 V/2A、-5V/2A； 電壓調(diào)整率2%；電流調(diào)整率2%；具有數(shù)字化時序控制：+5 V/lOA、+3.3V/3A路先開通，lOOms后其他兩路開通；同時具有過壓、過流、過溫等保護(hù)功能。本文是以Microchip公司dsPIC33EP控制器為核心，通過硬件、軟件設(shè)計(jì)，以滿足上述指標(biāo)要求。2數(shù)字電源控制器dsPIC33EP

dsPIC33EP“GS”系列芯片是Microchip公司近年推出的專門針對開關(guān)電源設(shè)計(jì)的數(shù)字控制芯片。dsPIC33EP“GS”系列芯片采用DSP+MCU哈佛架構(gòu)，幾乎支持目前電源工業(yè)所有主流的開關(guān)電源。例如，新一代dsPIC33EP64GS50X系列CPU最高處理性能提高到70MIPS，作為一個專門為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的數(shù)字控制芯片，dsPIC33EP64GS50X提供4對（8路）PWM輸出，可以滿足幾乎所有常用拓?fù)涞囊蟆WM輸出信號的分辨率可以達(dá)到1.04ns，相對于開關(guān)周期在微秒級的通信電源，已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)高精度電壓輸出。此外，芯片最多提供22路模擬輸入，可以實(shí)時地監(jiān)控電源的輸入/輸出，電壓/電流以及溫度等工作狀態(tài)。該系列芯片可廣泛應(yīng)用在AC/DC轉(zhuǎn)換器、汽車HID、電池充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、數(shù)字照明、電磁爐、可再生能源和UPS等電源中。

dsPIC33EP控制器將電源PWM發(fā)生器、高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和高速模擬比較器這三種外設(shè)高度集成互連，它們互相協(xié)作就可產(chǎn)生和控制PWM，非常適合作為本項(xiàng)目中數(shù)字電源控制器使用。

3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電源系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4路電源輸出分別為+5 V/lOA、+3.3V/3A、+5V/2A、-5V/2A， 系統(tǒng)要求初、次級地隔離，+5 V/2A、-5V/2A可合并輸出外，其余均要求采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)輸出。本文中+5V/10A采用半橋拓?fù)?，次級同步整流方式?shí)現(xiàn)；+3.3U/3A采用單端正激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)；+5 V/2A、-5V/2A采用單端正激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)雙路輸出。每路輸出的電壓、電流和溫度信號通過采樣電路輸入到dsPIC33EP控制器，再由控制器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行量化，然后輸出電壓反饋信號與控制器內(nèi)部設(shè)置的一個基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到誤差信號，然后通過一系列的數(shù)字算法，得到期望的PWM占空比輸出來控制相應(yīng)電源的工作，實(shí)現(xiàn)每路電壓的穩(wěn)定輸出。根據(jù)已經(jīng)采樣到的電壓、電流和溫度信號設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電路，一旦發(fā)生過壓、過流或過溫時，相應(yīng)的PWM模塊輸出占空比降為零，模塊停止輸出。此外，該電源系統(tǒng)可以通過軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字化時序控制。電源系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 DC/DC主功率電路

電源系統(tǒng)共包括3個獨(dú)立的DC/DC主功率電路，分別為+5V/10A、+3.3V/3A和±5 V/2A主功率電路，實(shí)現(xiàn)4路電壓輸出。功率變換電路的拓?fù)浜芏?，常用的主要有：正激變換電路，反激變換電路，推挽變換電路、半橋變換電路等。單端反激變換電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件使用量少，MOSFET電壓應(yīng)力不高，電壓調(diào)節(jié)范圍寬。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率難以提升，輸出特性較差，動態(tài)響應(yīng)效果不好。單端正激變換電路比單端反激變換電路復(fù)雜，但其輸出特性動態(tài)響應(yīng)效果較好，轉(zhuǎn)換效率高于反激變換電路。因此，本文中+3.3V/3A和±5 V/2A主功率電路采用單端正激變換電路實(shí)現(xiàn)電壓輸出。推挽結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是電壓輸出功率大，輸出特性好。轉(zhuǎn)換效率高。變壓器工作在第一、三象限，磁芯利用率高。缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率器件數(shù)量多，變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜。電路整體體積較大。初級電壓應(yīng)力高，導(dǎo)致開關(guān)管選型困難。半橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高。變壓器工作在第一、三象限，磁芯利用率高。初級只用一個繞組，變壓器體積比推挽結(jié)構(gòu)小。初級MOSFET只承受一倍輸入電壓，有利于MOSFET選型。因此，本文中+5V/10A主功率電路采用半橋變換電路實(shí)現(xiàn)電壓輸出。

圖2為其中一路+5V/10A主功率電路，該電路采用半橋拓?fù)?；考慮到次級輸出電流10A，次級采用同步整流以提高電源效率。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，變壓器選用RM6磁芯，匝比為4：3：3；輸出電感選用RM6磁芯，電感量為3.6uH±0.3uH。通過dsPIC33EP控制器設(shè)定工作頻率，采用脈沖寬度調(diào)制電壓單環(huán)控制方式，通過PWM1和PWM2模塊產(chǎn)生互補(bǔ)驅(qū)動信號，具有死區(qū)調(diào)節(jié)和故障保護(hù)功能。

4.2 隔離驅(qū)動電路

dsPIC33EP控制器的數(shù)字PWM單元提供驅(qū)動信號。由于本設(shè)計(jì)中所采用的開關(guān)管為MOSFET管，在開通瞬間需要提供大電流，在關(guān)斷瞬間需要抽走大電流，主控芯片的PWM模塊輸出端口提供電流能力有限，因此，需要增加驅(qū)動電路。同時，根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)需要將控制電路與原邊進(jìn)行隔離。本設(shè)計(jì)中采用脈沖變壓器隔離，成本較低，性價比較高。

隔離驅(qū)動電路框圖見圖3。該隔離驅(qū)動電路的驅(qū)動信號的輸入和輸出信號一般為脈沖波形，主要功能是起到將驅(qū)動信號隔離的作用。隔離驅(qū)動電路的輸入驅(qū)動信號為互補(bǔ)驅(qū)動PWM波（如PWMIH、PWMIL）首先經(jīng)過驅(qū)動芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以及增強(qiáng)驅(qū)動能力，然后經(jīng)過脈沖變壓器將驅(qū)動信號從脈沖變壓器的原邊傳遞到副邊，然后通過柵極驅(qū)動電阻調(diào)節(jié)MOSFET的開通速度；柵極驅(qū)動電阻用于控制MOSFET開通的波形上升時間，并有限流作用。

4.3 信號采樣電路

本文中需要對電壓、電流、溫度信號進(jìn)行采樣，實(shí)際的反饋信號都是連續(xù)信號，必須要經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換，才能在dsPIC33EP控制器中處理，這個過程由芯片內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC模塊執(zhí)行。經(jīng)過信號采樣電路后的輸出值可直接輸入到dsPIC33EP控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口即ADC接口，這些信號將參與系統(tǒng)的反饋環(huán)路計(jì)算或相應(yīng)的保護(hù)程序計(jì)算。

電流采樣電路是通過電流檢測電阻對輸出電流進(jìn)行直接采樣，再由電流傳感器進(jìn)行電流反饋處理，輸入給控制器的ADC接口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由控制器對相應(yīng)的輸出電流進(jìn)行過流控制。電流采樣電路如圖4所示。其中電流互感器的放大倍數(shù)是40，故，電流采樣電壓CSl= 40xRs x/o。電壓采樣電路是將輸出電壓采樣值反饋給控制器的ADC接口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由控制器對相應(yīng)的輸出電壓進(jìn)行控制。運(yùn)放輸出電壓VFB=（R52/R51）xVo。本文中溫度采樣電路為簡化電路采用上下電阻分壓形式，其中下電阻為熱敏電阻，將分壓所得電壓直接輸出到ADC接口。如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序在上電初始階段，主要完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化與設(shè)置，并完成對各功能模塊寄存器的初始化調(diào)用；啟動定時器、數(shù)字PWM、模數(shù)轉(zhuǎn)換器并在標(biāo)準(zhǔn)中斷程序中執(zhí)行PWM控制子程序等任務(wù)。圖6為主程序流程圖。在模擬電源中，輸出電壓隨時間的變化是連續(xù)的；而在數(shù)字電源中，輸出電壓是以ADC采樣頻率Fs進(jìn)行采樣得到的離散時間域下的幾個采樣樣本。所以，主控制芯片只能獲得采樣時刻的輸出電壓值，并在下一次采樣后才能更新輸出電壓。高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣到的輸出電壓值以O(shè)x0000至OxFFF之間的數(shù)字表示。該輸出電壓值與參考值進(jìn)行比較得到誤差信號，由數(shù)字補(bǔ)償器對誤差信號進(jìn)行處理以得到新的PWM波占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)化（DAC）。

主程序在每次采樣后進(jìn)入ADC中斷，將采樣得到的輸出電壓利用數(shù)字補(bǔ)償器運(yùn)算得到新的占空比，最終實(shí)現(xiàn)四路電壓穩(wěn)定輸出。圖7為ADC中斷流程圖。

5.2 數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

數(shù)字補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法主要分為兩大類：一是基于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法是將連續(xù)域設(shè)計(jì)好的補(bǔ)償器Hc（s）利用一定的離散變換得到數(shù)字補(bǔ)償器Hc（z），稱為“間接設(shè)計(jì)法”。另一類是在z域中，建立受控對象的離散模型Hp（z），然后直接在離散域進(jìn)行補(bǔ)償器設(shè)計(jì)，稱為“直接設(shè)計(jì)法”。由于對連續(xù)系統(tǒng)模擬補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法較為熟悉，因此，本方案中采用間接設(shè)計(jì)法。下面以其中一路+5 V/lOA的數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)為例。

從圖8中看出，+5 V/lOA的傳遞函數(shù)主要包括數(shù)字補(bǔ)償器、PWM、受控對象（即主功率回路）和ADC四個部分。+5V/10A的主功率參數(shù)為：額定輸入電壓Vin為28V；變壓器變比n為4：3：3，Np=4，Ns=3；輸出電感Lo為3.6uH；輸出電容Co為141uF，其等效電阻Resr約15mQ；負(fù)載電阻Rout為0.5Q。數(shù)一次的時間設(shè)置為1.0583ns。ADC模塊在每個開關(guān)周期采樣一次，故采樣頻率也是200kHz即采樣周期Ts為5us。由此得到PWM模塊的增益系數(shù)KPWM為：

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為Hsys （s）*Hc（s）的伯德圖（圖10中黃色曲線），其穿越頻率約13kHz，相位裕度約550，滿足設(shè)計(jì)需求。以該參數(shù)作為數(shù)字補(bǔ)償器原始參數(shù)，最終參數(shù)仍需要在實(shí)際工程調(diào)試中進(jìn)一步調(diào)整，直到基本滿足性能要求。

5.3 輔助功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目電源具有故障鎖定功能，具有過壓、過流、過溫保護(hù)功能。dsPIC33EP有5個高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：4個專用內(nèi)核和1個共用（公用）內(nèi)核，對于環(huán)路控制部分需要同步采樣的4路電壓用4個專用ADC內(nèi)核來處理，剩下需要監(jiān)控的電流、溫度等信號用共用ADC內(nèi)核采用輪詢的方式采樣轉(zhuǎn)換。同時，在程序中設(shè)置保護(hù)門檻值，一旦采樣信號超過相應(yīng)的保護(hù)門檻值就關(guān)閉相應(yīng)DC/DC變換器所對應(yīng)的數(shù)字PWM模塊，起到故障鎖定的作用。

此外，每個DC/DC主功率電路都由相應(yīng)的數(shù)字PWM模塊控制。這里，+5V/10A主功率電路的驅(qū)動信號由PWM1和PWM2模塊提供；+3.3V/3A和±5 V/2A主功率電路的驅(qū)動信號分別由PWM3、PWM4提供。每個數(shù)字PWM模塊都需要經(jīng)過一段延遲時間才能啟動，故只需根據(jù)時序控制要求，合理設(shè)置PWM4模塊的啟動延遲時間比PWM1、PWM2和PWM3長lOOms就可以實(shí)現(xiàn)+5V/10A、+3.3 V/3A路先開通，lOOms后其±5 V/2A開通的設(shè)計(jì)要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用Microchip公司的16位dsPIC33EP系列dsPIC33EP64GS50X作為主控制芯片，通過上述系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)搭建原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)四路電壓輸出。實(shí)測結(jié)果和設(shè)計(jì)指標(biāo)對比見表1，實(shí)測結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了上述電路方案設(shè)計(jì)的可行性和有效性。部分關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)測波形見圖11- 15。在額定28V輸入下，圖11中上面的波形為5V/10A初級下MOS管漏極波形，其峰峰值為32.5V；下面的波形為其輸出電壓紋波63mV。圖12中上面的波形為3.3V/3A初級MOS管漏極波形， 其峰峰值為61.9V；下面的波形為其輸出電壓紋波69mV。圖13中上面的波形為士5V/2A初級MOS管漏極波形，其峰峰值為58.8V；下面的波形為其正路輸出電壓紋波63mV。

從圖14中可以看到，輸出電壓分別為+5 V/lOA、+3.3V/3A和±5 V/2A。上電時序?yàn)橥ǖ?的+5V/10A和通道2的+3.3V/3A先上電，約140ms后通道3的+5 V/2A和通道4的-5V/2A同時上電。四路輸出電壓和實(shí)際的上電時序與理論設(shè)計(jì)完全相符，滿足設(shè)計(jì)要求。

原理樣機(jī)具有故障鎖定功能即具有過壓、過流、過溫保護(hù)功能圖15為其中一路3.3V/3A輸出電流超過130%10時，初級MOS管漏極波形和輸出電壓波形。當(dāng)檢測到過流時，3.3V出現(xiàn)工作.保護(hù).工作.再保護(hù)的重復(fù)現(xiàn)象，直到故障消失，過壓和過溫時現(xiàn)象相同，都采用打嗝式保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)。

7 結(jié)束語

本文對一種基于dsPIC33EP控制器的多路電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，包括總體設(shè)計(jì)思路以及相應(yīng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)本方案制作的原理樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)四路電壓輸出且工作穩(wěn)定，并具有故障鎖定及數(shù)字化時序控制功能，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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