基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源綜述

王愛玲，房亞民，馮 晶

（山東濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，山東 濟(jì)寧272037）

開關(guān)電源具有小型、輕量和高效的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備和通信設(shè)備中。與之相對(duì)應(yīng)，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，DSP芯片的發(fā)展日新月異，功能日益強(qiáng)大，性價(jià)比不斷上升，其處理速度比CPU快10～15倍。因此，基于DSP芯片的開關(guān)電源必將擁有廣闊的前景，可用于先進(jìn)的機(jī)載電源中。

1 開關(guān)電源模擬控制和數(shù)字控制的比較

1.1 模擬控制

模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9 V電池就是一種模擬器件，它的輸出電壓并不精確地等于9 V，而是隨時(shí)間變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在｛0，5 V｝這一集合中取值。

模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變?。涣鹘?jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。

模擬控制看起來(lái)直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是模擬控制容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設(shè)備）和昂貴。模擬控制還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗與工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬控制還對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。

1.2 數(shù)字控制

所謂電源的數(shù)字控制，也稱為“回路內(nèi)部的處理器”，是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。它必須對(duì)兩個(gè)數(shù)字串進(jìn)行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來(lái)驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)，而不是使用傳統(tǒng)模擬PWM比較器。它會(huì)將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)字域利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算控制響應(yīng)，然后將新產(chǎn)生的控制信息加傳至系統(tǒng)。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。

實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：

（1）基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源

單片機(jī)通過外接A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，采樣后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過D／A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)開關(guān)電源的間接控制。這種技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計(jì)方法容易掌握，而且對(duì)單片機(jī)的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復(fù)雜；單片機(jī)經(jīng)過A／D和D／A轉(zhuǎn)換，有比較大的時(shí)延，勢(shì)必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有的單片機(jī)集成了PWM輸出，但開關(guān)電源不斷往高頻化方向發(fā)展，一般單片機(jī)的時(shí)鐘頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率和精度成反比，無(wú)法產(chǎn)生足夠頻率和精度的PWM輸出信號(hào)。

（2）基于數(shù)字信號(hào)處理控制的開關(guān)電源

通過高性能數(shù)字芯片如DSP對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號(hào)采樣A／D轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM信號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，需要驅(qū)動(dòng)芯片。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路，由于這些芯片有較高的采樣速度和運(yùn)算速度，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的有效控制，有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。本文研究的數(shù)字開關(guān)電源采用這種控制方式。

2 基于DSP芯片TMS320LF2407控制的數(shù)字開關(guān)電源

2.1 數(shù)字控制電源系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）以數(shù)字信號(hào)處理器DSP或單片機(jī)為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器及PWM控制器作為控制對(duì)象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。

（2）采用“整合數(shù)字電源”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。

（3）高集成度，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化，將大量的分立元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中。

（4）能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。

這種技術(shù)可用于負(fù)載時(shí)間恒定的應(yīng)用中，使電源運(yùn)行在高頻狀態(tài)，如功率因數(shù)校正、非中斷電源、多個(gè)化學(xué)電池譯電和電機(jī)控制；還可用于采用若干可配置的PWM內(nèi)核及控制、診斷和接口電路的手機(jī)以及PDA的PMU等其它應(yīng)用。運(yùn)行時(shí)間控制電路中的子電路或外設(shè)可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運(yùn)行電壓，以便節(jié)能。數(shù)字電源控制可使調(diào)節(jié)器更加靈敏。

2.2 DSP芯片TMS320LF2407簡(jiǎn)介

T MS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列DSP集實(shí)時(shí)處理和控制外設(shè)功能于一身，為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了理想的解決方案。

TMS320LF2407在TMS320系列基礎(chǔ)上有以下特點(diǎn)：

（1）高性能10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換時(shí)間為500 ns，提供多達(dá)16路的模擬輸入。

（2）基于T MS320C2xx第洌的CPU核保證了其與T MS320系列DSP的代碼兼容。

（3）具有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)均可提供兩個(gè)16位通用定時(shí)器和八個(gè)16位的PWM通道。

（4）高達(dá)24 k的FLASH程序存儲(chǔ)器。

（5）可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。

（6）五個(gè)外部中斷（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）。

利用高性能的DSP數(shù)字芯片對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，可以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，再加上這些芯片有較高的采樣速度和運(yùn)算速度，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法。

2.3 基于DSP控制的開關(guān)電源原理

基于DSP控制的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字信號(hào)處理DSP控制的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)圖

圖中DSP采用目前流行的T MS320LF2407，主要進(jìn)行數(shù)字PID計(jì)算；復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD根據(jù)DSP計(jì)算的結(jié)果生成數(shù)字PWM波形控制主功率變換器，避免了模擬PWM控制器中的雙脈沖現(xiàn)象和半頻現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了PWM控制的完全數(shù)字化；AID轉(zhuǎn)換電路用作電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集，芯片可采用TLC5540芯片，或者TLC2543芯片，通過此AID轉(zhuǎn)換電路采集的電壓等信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)總線低八位進(jìn)入DSP，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓幅度高于標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)時(shí)，按比例降低占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源輸出正弦波和幅度的調(diào)制。DSP通過接口電路還可以擴(kuò)展LCD、鍵盤進(jìn)行人機(jī)交換以及通過串口RS－485或RS－232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)字信號(hào)處理的開關(guān)電源，雖然DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高，而且DSP控制技術(shù)相對(duì)較難掌握，況且利用單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)其部分功能，但運(yùn)用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及其速度優(yōu)勢(shì)可以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的有效控制，有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度，滿足逆變電源更高的要求，為電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供必要的軟硬件基礎(chǔ)。

［1］ 張 松，等.基于DSP實(shí)現(xiàn)的軟開關(guān)電源控制系統(tǒng)［J］.信息與電子工程，2003，1（2）：50－53.

［2］ 徐德鴻，沈 旭，楊成林，周鄧燕（譯）.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 張毅剛，趙光權(quán)，孫 寧，俞 洋.T MS320C240x DSP原理、開發(fā)與應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱大學(xué)出版社，2006.

［4］ 張衛(wèi)寧.T MS320C2000系列DSPs原理及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［5］ 楊 晉，蔡麗娟.數(shù)字技術(shù)在開關(guān)電源控制中的應(yīng)用和發(fā)展［J］.開關(guān)電源技術(shù)，2005，9（21）：6－8.