引 言:
信息時代離不開電子設(shè)備，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,，電子設(shè)備的種類與日俱增,，與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切,。任何電子設(shè)備又都離不開可靠的供電電源,，它們對電源供電質(zhì)量的要求也越來越高。
目前,，開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源以具有小型,、輕量和高效的特點而被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源,。與之相應(yīng),，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動下，DSP" title="DSP">DSP芯片的發(fā)展日新月異,，因此基于DSP芯片的開關(guān)電源擁有著廣闊的前景,，也是開關(guān)電源今后的發(fā)展趨勢。
1 .電源的總體方案
本文所設(shè)計的開關(guān)電源的基本組成原理框圖如圖1所示,，主要由功率主電路,、DSP控制回路以及其它輔助電路組成。
開關(guān)電源的主要優(yōu)點在“高頻”上,。通常濾波電感,、電容和變壓器在電源裝置的體積和重量中占很大比例。從“電路”和“電機(jī)學(xué)”的有關(guān)知識可知,，提高開關(guān)頻率可以減小濾波器的參數(shù),，并使變壓器小型化，從而有效地降低電源裝置的體積和重量,。以帶有鐵芯的變壓器為例,，分析如下：
圖1 系統(tǒng)組成框圖
設(shè)鐵芯中的磁通按正弦規(guī)律變化，即φ= φMsinωt,，則：
式中,，EM= ωWφ M=2πfWφM,，在正弦情況下，EM=√2E,，φM=BMS,，故：
式中，f為鐵芯電路的電源頻率;W 為鐵芯電路線圈匝數(shù);BM為鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度;S為鐵芯線圈截面積,。
從公式可以看出電源頻率越高,，鐵芯截面積可以設(shè)計得越小，如果能把頻率從50 Hz提高到50 kHz,，即提高了一千倍,，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍，這樣可以大大減小電源的體積,。
綜合電源的體積,、開關(guān)損耗以及系統(tǒng)抗干擾能力等多方面因素的考慮，本開關(guān)電源的開關(guān)頻率設(shè)定為30 kHZ,。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 功率主電路
本電源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”變換的結(jié)構(gòu),，主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器、輸人整流濾波電路,、高頻逆變電路,、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成,，如圖2所示,。
圖2 功率主電路原理圖其基本工作原理是：交流輸入電壓經(jīng)EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓,，通過高頻逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓,，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓,，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路,，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓,。如圖3所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程,。
圖3 功軍主回路的電壓波形變化
本開關(guān)電源采用半橋式功率逆變電路。如圖2所示,，輸入市電經(jīng)EMI濾波器濾波,，大大減少了交流電源輸入的電磁干擾，并同時防止開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端,。再經(jīng)過橋式整流電路,、濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點問。P,、N之間接人一個小容量,、高耐壓的無感電容,，起到高頻濾波的作用,。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似，只是其中兩個功率開關(guān)器件改由兩個容量相等的電容CA1和CA2代替,。在實際應(yīng)用中為了提高電容的容量以及耐壓程度,，CA1和CA2往往采用的是由多個等值電容并聯(lián)組成的電容組。C A1,、CA2 的容量選值應(yīng)在電源體積和重量允許的條件下盡可能的大,，以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩。CA1 和CA2 在這里同時起到了靜態(tài)時分壓的作用,，使Ua =Uin/2,。
在本電源的設(shè)計中，采用IGBT來作為功率開關(guān)器件,。它既具有MOSFET的通斷速度快,、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單及驅(qū)動功率小等優(yōu)點,，又具有GTR的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點,。
在IGBT的集射極間并接RC吸收網(wǎng)絡(luò)，降低開關(guān)應(yīng)力,，減小IGBT關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓;并聯(lián)二極管DQ實現(xiàn)續(xù)流的作用,。二次整流采用全波整流電路，通過后續(xù)的LC濾波電路,，消除高頻紋波,，減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC濾波電路中的電容由多個高耐壓,、大容量的電容并聯(lián)組成,，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩(wěn),。
2.2 控制電路
控制電路部分實際上是一個實時檢測和控制系統(tǒng),，包括對開關(guān)電源輸出端電壓、電流和IGBT溫度的檢測,，對收集信息的分析和運(yùn)算處理,，對電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過程主要是通過采集開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù),，送入DSP芯片進(jìn)行預(yù)定的分析和計算,，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過改變輸出PWM波的占空比，送到逆變橋開關(guān)器件的控制端,，從而控制輸出電壓和電流,。
控制電路主要包括DSP控制器最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路,、輔助電源電路,、采樣電路和保護(hù)電路。
(1)DSP控制器最小系統(tǒng)
DSP控制器是其中控制電路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片,，它是美國TEXAS INSTU—MENTS(TI)公司的最新成員,。TMS30LF2407A基于C2xLP內(nèi)核，和以前C2xx系列成員相比,，該芯片具有處理性能更好(30MIPS),、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大,、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點,，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品，特別適用于電機(jī)以及逆變器的控制,。DSP控制器最小系統(tǒng)包括時鐘電路,、復(fù)位電路以及鍵盤顯示電路。時鐘電路通過15 MHz的外接晶振提供;復(fù)位電路直接通過開關(guān)按鍵復(fù)位;由4×4的矩陣式鍵盤和SPRT12864M LCD構(gòu)成了電源系統(tǒng)的人機(jī)交換界面,。
(2)驅(qū)動放大電路
IGBT的驅(qū)動電路采用脈沖變壓器和TC4422組成,，其電路原理圖如圖4所示：
圖4 IGBT驅(qū)動電路原理圖由于TMS320LF2407A的驅(qū)動功率較小，不能勝任驅(qū)動開關(guān)管穩(wěn)定工作的要求,，因此需要加上驅(qū)動放大電路,，以增大驅(qū)動電流功率，提高電源系統(tǒng)的可靠性,。如圖4所示,，采用兩片TCA422組成驅(qū)動放大電路。
TC4421/4422是Microchip公司生產(chǎn)的9A高速MOsFET/IGBT驅(qū)動器,，其中TC4421是反向輸出,，TC4422是同向輸出，輸出級均為圖騰柱結(jié)構(gòu),。
TC4421/4422具有以下特點：
?、佥敵龇逯惦娏鞔螅? A;
② 電源范圍寬：4.5 V～18 V;
?、圻B續(xù)輸出電流大：最大2 A;
?、芸焖俚纳仙龝r間和下降時間：30 ns(負(fù)載4700pF)，180 ns(負(fù)載47000 pF);
?、輦鬏斞舆t時間短：30 ns(典型);
?、薰╇婋娏餍,。哼壿?ldquo;1”輸入～200μA(典型)，邏輯“0”輸入～55 μA(典型);
?、咻敵鲎杩沟停?.4 Ω(典型);
?、嚅]鎖保護(hù)：可承受1.5 A的輸出反向電流;
⑨輸入端可承受高達(dá)5 V的反向電壓;
?、饽軌蛴蒚TL或CMOS電平(3 V～18 V)直接驅(qū)動,，并且輸人端采用有300 mV滯回的施密特觸發(fā)電路。
當(dāng)TMS320LF2407A輸出的PWM1為高電平,，PWM2為低電平時,，經(jīng)過TCA422驅(qū)動放大后輸出,，在脈沖變壓器一次側(cè)所流過的電流從PWMA流向PWMB,，如圖4中箭頭所示，電壓方向為上正下負(fù),。
根據(jù)變壓器的同名端和接線方式,，則開關(guān)管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負(fù),。因此,，此時是驅(qū)動QM1導(dǎo)通。反之若是PWM1為高電平,，PWM2為低電平時,，則是驅(qū)動Q2導(dǎo)通。四只二極管DQ1 ～DQ2的作用是消除反電動勢對TCA422的影響,。
(3)輔助電源電路
本開關(guān)電源電路設(shè)計過程中所需要的幾路工作電源如下：
?、?TMS320LF2407 DSP所需電源：I/O 電源(3.3 V)，PLL(PHSAELOCKED LOOP)電源(3.3 V),，F(xiàn)IASH編程電壓(5 V),，模擬電路電源電壓(3.3 V);②TCA422芯片所需電源：電源端電壓范圍4.5～18 V(選擇15 V);③采樣電路中所用運(yùn)算放大器的工作電源為15 V。
因此,，整個控制電路需要提供15 V,、5 V和3.3 V三種制式的電壓。設(shè)計中選用深圳安時捷公司的HAw 5-220524 AC/DC模塊將220 V,、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電,，然后采用三端穩(wěn)壓器7815和7805獲得15 V和5 V的電壓。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通過TPS7333QD電壓芯片得到,。
4)采樣電路
電壓采樣電路由三端穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817之問的配合來構(gòu)成,。電路設(shè)計如圖5所示，TL431與PC817一次側(cè)的LED串聯(lián),，TL431陰極流過的電流就是LED的電流,。輸出電壓Ud經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后到參考電壓UR與TL431中的2.5 V基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流 If發(fā)生變化,，再通過光耦將變化的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送人LF2407A的ADCIN00引腳,。
圖5 電壓采樣電路原理圖由于TMS320LF2407A的工作電壓為3.3 V，因此輸入DSP的模擬信號也不能超過3.3 V,。為防止輸入信號電壓過高造成A/D輸入通道的硬件損壞,，我們對每一路A/D通道設(shè)計了保護(hù)電路，如圖5所示,，Cu2,，CU3 起濾波作用，可以將系統(tǒng)不需要的高頻和低頻噪聲濾除掉,，提高系統(tǒng)信號處理的精度和穩(wěn)定性,。
另外，采用穩(wěn)壓管限制輸入電壓幅值,，同時輸入電壓通過二極管與3.3 V電源相連,，以吸收瞬間的電壓尖峰。
當(dāng)電壓超過3.3 V時,，二極管導(dǎo)通,，電壓尖峰的能量被與電源并聯(lián)的眾多濾波電容和去耦電容吸收。并聯(lián)電阻Ru4的目的是給TL431提供偏置電流,，保證TL431至少有1 mA的電流流過,。Cu1 和RU3作為反饋網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償元件，用以優(yōu)化系統(tǒng)的頻率特性,。
電流采樣的原理與電壓采樣類似,，只是在電路中要通過電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后再進(jìn)行采集,。
(5)保護(hù)電路
為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及逆變電路能安全可靠工作,，TMs320LF2407A提供了
輸入信號，利用它可以方便的實現(xiàn)逆變系統(tǒng)的各種保護(hù)功能,，具體實現(xiàn)框圖如圖6所示：
圖6 保護(hù)電路結(jié)構(gòu)框圖
各種故障信號經(jīng)或門CD4075B綜合后,，經(jīng)光電隔離、反相及電平轉(zhuǎn)換后輸入到
引腳,，有任何故障時,，CD4075B輸出高電平，
引腳相應(yīng)被拉為低電平,，此時DSP所有PWM輸出管腳全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài),，即封鎖PWM輸出。整個過程不需要程序干預(yù),，由硬件實現(xiàn),。這對實現(xiàn)各種故障信號的快速處理非常有用,。在故障發(fā)生后，只有在人為干預(yù)消除故障,，重啟系統(tǒng)后才能繼續(xù)工作,。
3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
為了構(gòu)建DSP控制器軟件框架，使程序易于編寫,、查錯,、測試、維護(hù),、修改,、更新和擴(kuò)充，在軟件設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計,，將整個軟件劃分為初始化模塊,、ADC信號采集模塊、PID運(yùn)算處理模塊,、PWM波生成模塊,、液晶顯示模塊以及按鍵掃描模塊。各模塊問的流程如圖7所示,。
圖7 軟件模塊流程圖
3.1 初始化模塊
系統(tǒng)初始化子程序是系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行的一段代碼，其功能是保證主程序能夠按照預(yù)定的方式正確執(zhí)行,。系統(tǒng)的初始化包括所有DSP的基本輸入輸出單元的初始設(shè)置,、LCD初始化和外擴(kuò)單元的檢測等。
3.2 ADC采樣模塊
TMS320LF2407A芯片內(nèi)部集成了10位精度的帶內(nèi)置采樣/保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC),。根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求,，10位ADC的精度可以滿足電壓的分辨率、電流的分辨率的控制要求,，因此本設(shè)計直接利用DSP芯片內(nèi)部集成的ADC就可滿足控制精度,。另外，該10位ADC是高速ADC,，最小轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到500 ns,，也滿足控制對采樣周期要求。
ADC采樣模塊首先對ADC進(jìn)行初始化,，確定ADC通道的級聯(lián)方式,，采樣時間窗口預(yù)定標(biāo)，轉(zhuǎn)換時鐘預(yù)定標(biāo)等,。然后啟動ADC采樣,，定義三個數(shù)組依次存放電壓、電流和溫度的采樣結(jié)果,，對每一個信號采樣8次,，經(jīng)過移位還原后存儲到相應(yīng)的數(shù)組中,，共得到3組數(shù)據(jù)。如果預(yù)定的ADC中斷發(fā)生,，則轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序,，對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和傳輸,。以電壓采樣為例,，其具體的流程圖如圖8所示。
圖8 電壓采樣程序流程圖
3.3 PID運(yùn)算模塊
本系統(tǒng)借助DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能,，通過編程實現(xiàn)了軟件PID調(diào)節(jié),。由于本系統(tǒng)軟件中采用的是增量式PID算法，因此需要得到控制量的增量△un ,，式(3)為增量式PID算法的離散化形式：
開關(guān)電源在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,，偏差是很小的。如果偏差e在一個很小的范圍內(nèi)波動,，控制器對這樣微小的偏差計算后,，將會輸出一個微小的控制量，使輸出的控制值在一個很小的范圍內(nèi),，不斷改變自己的方向,，頻繁動作，發(fā)生振蕩,，這既影響輸出控制器,，也對負(fù)載不利。
為了避免控制動作過于頻繁,，消除由于頻繁動作所引起的系統(tǒng)振蕩,，在PID算法的設(shè)計中設(shè)定了一個輸出允許帶eo。當(dāng)采集到的偏差|en|≤eo時,，不改變控制量,，使充電過程能夠穩(wěn)定地進(jìn)行;只有當(dāng)|en| >eo 時才對輸出控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制模塊的程序流程如圖9所示：
圖9 PID運(yùn)算程序流程圖
3.4 PWM 生成模塊
TMS320LF2407A內(nèi)部包括兩個事件管理器模塊EVA和EVB,，每個事件管理器模塊包括通用定時器GP,、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路,。通過TMS320LF2407A事件管理模塊中的比較單元可以產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM波,，與PWM 波產(chǎn)生相關(guān)的寄存器有：比較寄存器CMPRx、定時器周期寄存器Tx—PR,、定時器控制寄存器TxCON,、定時器增/減計數(shù)器TxCNT、比較控制寄存器COMCONA/B,、死區(qū)控制寄存器DBTCONA/B,。
PWM波的生成需對TMS320LF2407A的事件管理模塊中的寄存器進(jìn)行配置,。由于選用的是PWM1/2，因此配置事件管理寄存器組A,，根據(jù)需要生成帶死區(qū)PWM波的設(shè)置步驟為：
(1)設(shè)置并裝載比較方式寄存器ACTRA,，即設(shè)置PWM波的輸出方式;
(2)設(shè)置T1CON寄存器，設(shè)定定時器1工作模式,，使能比較操作;
(3)設(shè)置并裝載定時器1周期寄存器T1PR,，即規(guī)定PWM 波形的周期;
(4)定義CMPR1寄存器，它決定了輸出PWM 波的占空比,，CMPR1中的值是通過計算采樣值而得到的;
(5)設(shè)置比較控制寄存器COMCONA,，使能PD—PINTA 中斷;
(6)設(shè)置并裝載死區(qū)寄存器DBTCONA，即設(shè)置死區(qū)時間,。
圖10所示為帶死區(qū)PWM波的生成原理
3.5 鍵盤掃描及LCD顯示模塊按鍵掃描執(zhí)行模塊的作用是判斷用戶的輸入,，對不同的輸入做出相應(yīng)的響應(yīng)。本開關(guān)電源設(shè)計采用16個壓電式按鍵組成的矩陣式鍵盤構(gòu)成系統(tǒng)的輸入界面,。16個按鍵的矩陣式鍵盤需要DSP的8個I/O口,，這里選用IOPA0～I(xiàn)OPA3作為行線，IOPF0～I(xiàn)OPF3作為列線,。由于TMS320LF2407A都是復(fù)用的I/O口,，因此需要對MCRA和MCRC寄存器進(jìn)行設(shè)置使上述8個I/O口作為一般I/O端口使用。按鍵掃描執(zhí)行模塊采用的是中斷掃描的方式,，只有在鍵盤有鍵按下時才會通過外部引腳產(chǎn)生中斷申請,，DSP相應(yīng)中斷，進(jìn)人中斷服務(wù)程序進(jìn)行鍵盤掃描并作相應(yīng)的處理,。
LCD顯示模塊需要DSP提供11個I/O口進(jìn)行控制，包括8位數(shù)據(jù)線和3位控制線,，數(shù)據(jù)線選用IOPB0～I(xiàn)OPB7,，控制線選用IOPFO IOPF2，通過對PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的設(shè)置實現(xiàn)DSP與LCD的數(shù)據(jù)傳輸,，實時顯示開關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài),。
4 樣機(jī)研制
主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：三相AC380 V±5% ;輸出電壓：DC220V±2% ;輸出電流：50 A;額定功率：11 kW。
所得試驗樣機(jī)額定負(fù)載時的輸出波形如圖11(a)所示,。由圖11(a)實際讀數(shù)可知,，輸出電壓從0上升到220 V的響應(yīng)時間為1s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度,。同時,，由圖11(b)中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為220 V時,，電壓波動在2 V左右,，其最大電壓波動小于1%,。
圖11 樣機(jī)額定負(fù)載時的輸出波形
5 結(jié)論：
本文介紹的基于DSP的大功率" title="大功率">大功率高頻開關(guān)電源，充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大功能,，可以對開關(guān)電源進(jìn)行多方面控制,，并且能夠簡化器件，降低成本,，減少功耗,，提高設(shè)備的可靠性。試驗數(shù)據(jù)表明指標(biāo)滿足設(shè)計要求,，本電源均能夠保持良好的輸出性能,。