一種基于DSP的半橋數(shù)字開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

申士卿，陳國(guó)平，顧 健

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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一種基于DSP的半橋數(shù)字開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

申士卿，陳國(guó)平，顧 健

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)正激變換器變壓器磁復(fù)位需要增加鐵心復(fù)磁電路，電壓應(yīng)力高；反激式變換器峰值電流較大，輸出電壓紋波大等問(wèn)題。文中設(shè)計(jì)了一款基于DSP的半橋數(shù)字開(kāi)關(guān)電源，提出了一種新型的正反激開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?，介紹了主電路工作原理，并以TMS320LF2407A DSP芯片為核心，完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件數(shù)字PID算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化采樣、運(yùn)算、控制輸出等功能。

開(kāi)關(guān)電源；數(shù)字控制；DSP技術(shù)

數(shù)字開(kāi)關(guān)電源[1]具備高適應(yīng)性、高效性以及靈活的交互功能，目前已成為眾多智能化設(shè)備的首選供電方案。DSP芯片高速的電子與電力傳動(dòng)。

數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力以及豐富的外圍設(shè)備適用于實(shí)時(shí)信號(hào)處理，從而使得開(kāi)關(guān)電源實(shí)行全數(shù)字控制具備了可實(shí)施的方案。本文將DSP技術(shù)應(yīng)用于一種新穎的開(kāi)關(guān)電源[2]，簡(jiǎn)化了電源的控制電路，同時(shí)減少了功耗，提高了電源的控制靈活性及可靠性。

1 結(jié)構(gòu)及基本原理

本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源基本組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括DC-DC功率變換主電路和以DSP為核心的控制電路、輔助電源電路。主電路主要由DC-DC變換電路、EMI防電磁干擾濾波器以及整流濾波電路3部分組成[3]?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通占空比來(lái)控制電壓的輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、閉環(huán)控制、電路保護(hù)的功能，其中驅(qū)動(dòng)電路用于對(duì)DSP輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離、放大，反饋電路采集輸出電壓、電流信號(hào)，輔助電路用來(lái)對(duì)芯片提供工作電壓[4]。

圖1 數(shù)字開(kāi)關(guān)電源總體設(shè)計(jì)框圖

2 主電路設(shè)計(jì)

在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，正、反激式變換器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。但傳統(tǒng)的正、反激式變換器也存在其固有的缺點(diǎn)，如正激變換器變壓器磁復(fù)位需要增加鐵心復(fù)磁電路，電壓應(yīng)力高；反激式變換器峰值電流較大，輸出電壓紋波大等問(wèn)題[5]。征集電路在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)有輸出電壓，在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)不能有，且反激變換器在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)通過(guò)變壓器儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)有能量輸出，正激變換器和反激變換器均不能在一個(gè)周期內(nèi)有持續(xù)的電壓輸出，這也是正激和反激變換器共有的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)提出了一種新型的正反激開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?，克服了單端正激電路和反激電路存在的一些缺點(diǎn)，并能保證在一個(gè)周期內(nèi)有穩(wěn)定的可持續(xù)的電壓輸出，從而為相應(yīng)的設(shè)備提供可靠的穩(wěn)定的電壓，在電路形式上，這種變換器可采用雙變壓器結(jié)構(gòu)或者單變壓器結(jié)構(gòu)，輸出可以是雙路或單路[6]。主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 主電路拓?fù)?/p>

狀態(tài)1 (t0～t1)：開(kāi)關(guān)時(shí)序圖如圖3所示，之前S2開(kāi)通，S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷，S3流過(guò)從右向左的電流。此時(shí)T2的勵(lì)磁電感Lm2釋放能量，T2變壓器工作在正激狀態(tài)，T1此時(shí)當(dāng)做電感使用，其勵(lì)磁電感儲(chǔ)能，t0時(shí)S2關(guān)斷，S4導(dǎo)通，此時(shí)Lm2能量沒(méi)有釋放完全，繼續(xù)通過(guò)理想變壓器T2的原邊續(xù)流，Lm1通過(guò)T1的原邊續(xù)流這時(shí)副邊S4有流過(guò)從右向左的電流。此時(shí)T1兩端電壓和T2兩端的電壓大小相等，方向相反電流為零;

狀態(tài)2 (t1～t2)：t1時(shí)刻Lm2的電流下降到穩(wěn)態(tài)最低值，且此時(shí)S1打開(kāi)，原邊自上而下的電流流過(guò)，此時(shí)T2沒(méi)有電流流過(guò)，原邊電流均通過(guò)勵(lì)磁電感流過(guò)，Lm2儲(chǔ)能，Lm1電流繼續(xù)減小，能量依舊通過(guò)T1往副邊傳遞，同時(shí)T1工作在正激狀態(tài)，此時(shí)由T1、負(fù)載、S4組成的回路有順時(shí)針的電流流過(guò)；

圖3 開(kāi)關(guān)時(shí)序圖

狀態(tài)3 (t2-t3)：t2時(shí)刻S1關(guān)斷，S3打開(kāi)，Lm2儲(chǔ)能結(jié)束，勵(lì)磁電感Lm2通過(guò)T2續(xù)流，將開(kāi)始往副邊傳遞能量，此時(shí)T2、S3和負(fù)載組成的回路有逆時(shí)針?lè)较虻碾娏髁鬟^(guò)。Lm1繼續(xù)通過(guò)T1續(xù)流，其電流繼續(xù)減小，到t3時(shí)刻Lm1的電流減小到穩(wěn)態(tài)最小值。此時(shí)T1兩端的電壓和T2兩端的電壓大小相等，方向相反，且原邊主電流也為零；

狀態(tài)4 (t3～t4)：t3時(shí)刻S2開(kāi)通，原邊流過(guò)自下而上的電流，此時(shí)理想變壓器T1無(wú)電流流過(guò)，原邊電流都經(jīng)過(guò)Lm1，此時(shí)Lm1儲(chǔ)能，T2工作在正激狀態(tài)，Lm2繼續(xù)通過(guò)T2續(xù)流，副邊由T2、S3和負(fù)載組成的回路由逆時(shí)針?lè)较虻碾娏髁鬟^(guò)。

3 DSP控制電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源正不斷向高頻數(shù)字化方向發(fā)展，使用高性能的DSP芯片對(duì)電源進(jìn)行控制，不僅能使得電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，還可高效快速地實(shí)現(xiàn)多種控制算法[7]?？刂菩酒刂仆庠O(shè)和實(shí)時(shí)處理功能為一體，為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)提供了較好的解決方案。本文設(shè)計(jì)的控制電路采用TMS320LA2407A型號(hào)DSP芯片[8]。

3.1 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了輸出穩(wěn)定的電壓信號(hào)，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，通過(guò)采集電路得到輸出電壓信號(hào)經(jīng)DSP內(nèi)部ADC模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存入DSP存儲(chǔ)器中，CPU再對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制[9]。由于DSP只能采集0～3.3 V的電壓信號(hào)，因此在將輸入信號(hào)采集到DSP的ADC之前，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，包括輸入阻抗調(diào)整以及硬件濾波，濾除不必要干擾信號(hào)。本文電壓檢測(cè)電路如圖4所示，運(yùn)放芯片采用MCP604，單電源3.3 V供電，構(gòu)成電壓跟隨器，充當(dāng)模擬輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)以及緩沖器，并提供穩(wěn)定的輸出阻抗，同時(shí)保護(hù)DSP的ADC輸入端。

圖4 輸出電壓采樣電路

3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于芯片本身不帶有D/A轉(zhuǎn)換器，因此需要為控制電路設(shè)計(jì)數(shù)字/模擬量轉(zhuǎn)換電路。下圖為本文采用的設(shè)計(jì)方案，T1PWM為幅值不變脈寬可調(diào)的PWM波，經(jīng)過(guò)R4和C3組成的RC濾波器以及右邊由TL084和其他元件組成的二階巴特沃斯低通濾波器后便得到了不含有交流分量只含有直流分量的模擬輸出分量。

圖5 輸出電壓采樣電路

3.3 DSP電源電路設(shè)計(jì)

TMS320FL2407芯片工作時(shí)所要求的電壓分為兩部分：3.3 V的Flash電壓和1.8 V內(nèi)核電壓，所以在此采用電壓精度較高的電源芯片TPS767D301，此款芯片輸入電壓為5 V，芯片起振正常工作后能夠產(chǎn)生3.3 V和1.8 V兩種電壓供DSP使用，圖6為電源的產(chǎn)生電路。

圖6 DSP電源電路

3.4 過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)

將檢測(cè)到的過(guò)壓與過(guò)流故障信號(hào)經(jīng)一或非門74LS02傳送到DSP的 PDPINTx引腳，一旦有故障信號(hào)發(fā)生，PDPINTx變?yōu)榈碗娖?，隨即產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，PWM輸出引腳立即置為高阻態(tài)，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而保護(hù)功率電路安全[10]。

4 系統(tǒng)控制算法及軟件實(shí)現(xiàn)

能使得開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的PWM波形主要通過(guò)對(duì)相關(guān)通用定時(shí)器參數(shù)的設(shè)定而實(shí)現(xiàn)的，EV模塊中的通用定時(shí)器具有比較寄存器TxCMPR和輸出引腳TxPWM，當(dāng)通用定時(shí)計(jì)數(shù)器的值和比較寄存器值產(chǎn)生比較匹配事件時(shí)候，使得TxPWM引腳的電平發(fā)生跳變，產(chǎn)生PWM波。設(shè)定定時(shí)器的步驟如下：(1)根據(jù)預(yù)定的PWM波周期設(shè)置TxPR值；(2)通過(guò)設(shè)置TxCON寄存器來(lái)選擇計(jì)數(shù)模式以及時(shí)鐘源，并使能定時(shí)器的比較輸出；(3)將PWM脈沖的占空比設(shè)定到TxCMPR寄存器中。

每個(gè)EV事件管理器含有3個(gè)比較單元，而每個(gè)比較單元均有一對(duì)PWM輸出[11]。選擇通用定時(shí)器1或通用定時(shí)器3產(chǎn)生PWM波形，在PWM周期內(nèi)計(jì)數(shù)，當(dāng)比較寄存器的值和計(jì)數(shù)值與產(chǎn)生比較匹配時(shí)，相應(yīng)的PWM輸出PWM波。PWM波形產(chǎn)生的設(shè)置步驟基本如下：(1)首先設(shè)置并裝載ACTRx寄存器的值；(2)避免半橋電路中上下臂開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通；需要帶有死區(qū)，因此設(shè)置DBTCONx寄存器；(3)初始化CMPRx寄存器；(4)通過(guò)設(shè)置和裝載T1CON或者T3CON寄存器來(lái)啟動(dòng)比較操作功能；(5)更新CMPRx寄存器的值，從而改變PWM波占空比。

用通用定時(shí)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，前者從產(chǎn)生的后級(jí)推動(dòng)變壓器輸出波形的最佳性或是對(duì)死區(qū)控制的靈活性而言，均優(yōu)于后者。因此本設(shè)計(jì)采用前種控制方式，即采用比較寄存器以及計(jì)數(shù)寄存器經(jīng)比較匹配來(lái)產(chǎn)生非對(duì)稱的PWM波，為避免半橋電路兩開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通造成脈沖重疊現(xiàn)象從而導(dǎo)致上下橋臂直通短路，在程序中設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間，這樣保證當(dāng)其中一管導(dǎo)通前另一開(kāi)關(guān)管被完全關(guān)斷[12]。程序的流程圖如圖7所示。

圖7 主程序、ADC中斷服務(wù)程序圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性，對(duì)基于設(shè)計(jì)的拓?fù)涞臄?shù)字開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)[13]。仿真使用的是Saber軟件，Saber作為混合仿真系統(tǒng)，能夠兼容模擬及數(shù)字控制量的混合仿真，方便在不同層面上分析以及解決問(wèn)題。根據(jù)本電路設(shè)計(jì)的要求，輸入電壓為48 V和72 V時(shí)得到的輸出電壓分別為1.8 V和2.2 V。

圖8 輸出電壓1.8 V波形圖

圖9 輸出電壓2.2 V波形圖

從仿真圖形觀察可知，當(dāng)改變電源的輸入電壓時(shí)，輸出電壓能按照預(yù)定值進(jìn)行改變且輸出穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的數(shù)字開(kāi)關(guān)電源集成度高，具有快速穩(wěn)定、失真小、智能化、高效率等特點(diǎn)，適合應(yīng)用在對(duì)精度要求高的設(shè)備，可應(yīng)用在中小功率的智能化的DC供電場(chǎng)合，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值[14]?；?DSP 控制的數(shù)字開(kāi)關(guān)電源具備廣闊的應(yīng)用前景，為了能對(duì)其進(jìn)行推廣，還需要不斷加強(qiáng)研究力度[15]。

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Design of Half Bridge Digital Switching Power Supply Based on DSP

SHEN Shiqing，CHEN Guoping，GU Jian

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

According to the forward converter transformer reset need increase the core complex magnetic circuit,existence the problem of high voltage stress;There are also some defects with the flyback converter,such as the peak current is large and high output voltage ripple. This paper introduces the design of a half bridge switching power supply based on digital DSP .The design proposed a new model of forward and flyback switching power supply,introduced the working principle of the main circuit,using TMS320LF2407A Digital Signal Processor as the core .The hardware circuit design and software digital PID algorithm are accomplished, and the functions of digital sampling, operation and control are realized.

switching power supply; digital current control; DSP technology

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.009

2016- 02- 19

滬江基金資助項(xiàng)目(B1402/D1402)

陳國(guó)平(1970-)，男，工程師,碩士生導(dǎo)師。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。申士卿(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

TN86

A

1007-7820(2016)12-029-04