基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的通信電源設(shè)計

牟玉龍

（貴州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 都勻 558000）

0 引 言

隨著微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等技術(shù)的發(fā)展，集成在工業(yè)上的應(yīng)用越來越多[1]。在20 多年前，一些科研人員開始研究將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于電力電子設(shè)備（如電機(jī)驅(qū)動器）的設(shè)計中，目的是使這些設(shè)備在低于數(shù)十kHz 的工作頻率范圍內(nèi)，具備更高的可控性、智能化以及柔性化[2]。

近年來數(shù)字開關(guān)的動態(tài)特性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的仿真設(shè)計方法所能達(dá)到的水平，這種趨勢為高速數(shù)字電源的設(shè)計帶來了更高的性能和可靠性，也提升了其在實(shí)際應(yīng)用中的適用性[3]。同時，在DC-DC 變換器的數(shù)字控制算法和實(shí)現(xiàn)方面，也存在著明顯的優(yōu)勢。由于數(shù)字化控制具有編程靈活、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制、對外圍設(shè)備的依賴程度低、穩(wěn)定性高、抗噪聲等特點(diǎn)，使數(shù)字化設(shè)計顯示出廣闊的應(yīng)用前景[4]。本文基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)，對通信電源展開設(shè)計研究。

1 基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的電源降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計

為滿足通信電源的設(shè)計需求，開展相關(guān)研究前，進(jìn)行基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的電源降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計[5]。

在通信電源的設(shè)計過程中，應(yīng)明確電源降壓轉(zhuǎn)換器主要由晶體管、輸出電容、電感等構(gòu)成。通常情況下，可以使用開關(guān)S 進(jìn)行數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)所需電源的調(diào)節(jié)。數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)以固定的頻率進(jìn)行開關(guān)操作，設(shè)固定頻率為f，則電源的固定工作周期為

式中：T為通信電源的固定工作周期。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)電源降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)通導(dǎo)時長為Ton、開關(guān)閉合時長為Toff，則

在已知Ton、Toff的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信電源工作周期的時長，推導(dǎo)得到電源降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計電壓，計算公式為

式中：U為電源降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計輸出電壓；U0為輸出電壓；t為作業(yè)時長。按照上述方式，結(jié)合晶體管的正向?qū)ㄗ鳂I(yè)方式對電感電磁場進(jìn)行線性分析，通過在此過程中對電磁場能量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的電源降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計。

2 通信電源磁芯選擇與匝數(shù)計算

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)明確通信電源磁芯是其設(shè)計中不可忽視的一個重要環(huán)節(jié)。功率變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行交流電壓傳輸?shù)脑O(shè)備，是開關(guān)通信電源中的一個關(guān)鍵部件，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換、電壓變換等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。每個通信電源磁芯的外形都大同小異，但所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度卻截然不同。通信電源磁芯一般采用低磁場的軟磁材料，此類材料具有電阻率高、矯頑力小、磁導(dǎo)率高等優(yōu)勢。較高的電阻率有利于減小磁通、鐵損，隨著矯頑場減小，磁滯回環(huán)面積減小。因此，在輸出功率一定時，可以采用減小磁芯體積的方式，優(yōu)化通信電源磁芯的選擇。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，采用面積乘積法（Area Product，AP）計算通信電源磁芯的截面面積，公式為

式中：A為通信電源磁芯截面面積；PT為變壓器的輸出功率；K1為窗口利用系數(shù)；K2為波形系數(shù)；K3為材料相關(guān)系數(shù)；B為磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)。根據(jù)上述結(jié)果，計算通信電源磁芯的匝數(shù)，公式為

式中：N為通信電源磁芯的匝數(shù)。按照上述方式，完成通信電源磁芯的選擇與匝數(shù)的計算。

3 電源D/A 電路與串口通信設(shè)計

完成上述研究后，進(jìn)行電源數(shù)字/模擬（Digital/Analog，D/A）電路的設(shè)計。設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)通信電源的作業(yè)范圍，主動調(diào)整供電電壓的電路節(jié)點(diǎn)分布。在此過程中，電源D/A 電路以D/A 變換器AD7801 為核心，將電路輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，達(dá)到對供電電壓進(jìn)行控制的目的。AD7801 是一款單通道、8 bit 的D/A 轉(zhuǎn)換芯片，該芯片集成在通信電源中，可以利用芯片中的2.7 ～5.5 V 單電源進(jìn)行供電。同時，轉(zhuǎn)換芯片集成了一個并行微處理器和DSP 兼容接口，因此還擁有低功耗的特性，滿足3.3 V電源供電時功耗小于5 MW的需求。設(shè)計過程中，如果參考電壓與工作電壓直接相連，那么參考電壓可以按照工作電壓的一半設(shè)定。

完成電源D/A 電路的設(shè)計后，進(jìn)行通信電源串口通信方式的選擇。通信中，使用電源內(nèi)置的串行通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，UART）雙通道進(jìn)行數(shù)據(jù)流的芯片控制，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的寬度選擇通信電源的帶寬，以此種方式實(shí)現(xiàn)電源D/A 電路與串口通信的設(shè)計。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

上文從3 個方面完成了數(shù)字式控制開關(guān)通信電源的設(shè)計，為檢驗(yàn)數(shù)字式控制開關(guān)通信電源的實(shí)際應(yīng)用效果，本文將開展如下所示的測試。測試前，應(yīng)明確通信電源是整合通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，本次設(shè)計的通信電源預(yù)期投產(chǎn)后作業(yè)在某區(qū)域大型通信網(wǎng)絡(luò)中，為確保設(shè)計的電源可以發(fā)揮預(yù)期效果，完成設(shè)計后，按照表1 所示的內(nèi)容進(jìn)行通信電源設(shè)計指標(biāo)的分析。

表1 通信電源設(shè)計指標(biāo)分析

完成上述通信電源設(shè)計指標(biāo)的分析后，按照設(shè)計的需要，將數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的主電源改為3 路供電，結(jié)合實(shí)際情況，采用程控開關(guān)。在用戶分布密集區(qū)域使用時，通信信號發(fā)射裝置采用24 V 的固定電壓作為電源，當(dāng)探測到用戶分布稀疏區(qū)域時，將通信信號發(fā)射裝置的電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)的開關(guān)電源，并根據(jù)所接收到的信號量進(jìn)行調(diào)整。在此過程中，需要根據(jù)用戶的分布，結(jié)合信號采集裝置與電路反饋信息進(jìn)行通信電源固定電壓的轉(zhuǎn)換與調(diào)整。為確保相關(guān)工作的實(shí)施達(dá)到預(yù)期效果，按照圖1 進(jìn)行通信電源設(shè)計方案的綜合部署。

圖1 通信電源設(shè)計方案的綜合部署

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，按照本文提出的方法進(jìn)行通信電源的設(shè)計。在此過程中，先進(jìn)行基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的電源降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計，根據(jù)表1中提出的通信電源設(shè)計指標(biāo)，進(jìn)行通信電源磁芯的選擇與對應(yīng)匝數(shù)的計算。最后，通過對電源D/A 電路與串口通信方式的設(shè)計，完成本文方法在通信電源設(shè)計中的應(yīng)用。

在明確通信電源輸出的直流電壓范圍為9 ～18 V 的基礎(chǔ)上，對通信電源進(jìn)行輸出功率測試。調(diào)整通信電源輸出直流的電壓范圍，進(jìn)行輸出功率的統(tǒng)計，結(jié)果如表2 所示。

表2 通信電源輸出功率統(tǒng)計

從表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，通信電源輸出電壓與通信電源輸出電流之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，與輸出功率之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。即隨著通信電源輸出電壓的升高，通信電源輸出電流降低，對應(yīng)的輸出功率升高。根據(jù)通信電源輸出電壓在9 ～18 V 變化，發(fā)現(xiàn)電源對應(yīng)的輸出功率在45.0 ～68.4 W 變化，滿足通信電源在某區(qū)域大型通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需求。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對設(shè)計的通信電源效率進(jìn)行測試，計算公式為

式中：X為通信電源效率；P1為輸出功率；P2為即時功率。參照上述方式進(jìn)行通信電源效率的統(tǒng)計，其結(jié)果如表3 所示。

表3 通信電源效率統(tǒng)計

從表3 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通信電源輸出電壓在9 ～13 V 時，通信電源效率＞90%。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：本文此次研究提出的通信電源設(shè)計方法的應(yīng)用效果良好，使用本文方法進(jìn)行通信電源設(shè)計可以在確保通信電源輸出功率符合要求的同時，使通信電源效率在90%以上，發(fā)揮通信電源在實(shí)際應(yīng)用中的更高價值與效能。

5 結(jié) 論

本文基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)，對通信電源展開設(shè)計研究。設(shè)計DC-DC 開關(guān)的電源降壓轉(zhuǎn)換器，選擇通信電源磁芯并計算匝數(shù)，設(shè)計D/A 電路與串口通信，完成基于數(shù)字式控制DC-DC 開關(guān)的通信電源設(shè)計。研究成果經(jīng)過實(shí)例應(yīng)用分析后證明了可以在確保通信電源輸出功率符合要求的同時，使通信電源效率在90%以上。