基于DSP控制的數字開關電源綜述

王愛玲，房亞民，馮 晶

（山東濟寧職業技術學院機電系，山東 濟寧272037）

開關電源具有小型、輕量和高效的特點，被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備和通信設備中。與之相對應，在微電子技術發展的帶動下，DSP芯片的發展日新月異，功能日益強大，性價比不斷上升，其處理速度比CPU快10～15倍。因此，基于DSP芯片的開關電源必將擁有廣闊的前景，可用于先進的機載電源中。

1 開關電源模擬控制和數字控制的比較

1.1 模擬控制

模擬信號的值可以連續變化，其時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，而是隨時間變化，并可取任何實數值。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。模擬信號與數字信號的區別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，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進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。

模擬控制看起來直觀而簡單，但它并不總是經濟或可行的。其中一點就是模擬控制容易隨時間漂移，因而難以調節。能夠解決這個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備）和昂貴。模擬控制還有可能嚴重發熱，其功耗與工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬控制還對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

1.2 數字控制

所謂電源的數字控制，也稱為“回路內部的處理器”，是指控制器能在數字域執行所有系統控制算法。它必須對兩個數字串進行比較以產生脈沖寬度來驅動電源開關，而不是使用傳統模擬PWM比較器。它會將所有模擬系統參數轉換成數字信號，并在數字域利用這些數據計算控制響應，然后將新產生的控制信息加傳至系統。通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在芯片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實現變得更加容易了。

實現開關電源的數字控制主要有以下兩種方法：

（1）基于單片機控制的開關電源

單片機通過外接A／D轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數據進行運算和調節，再把結果通過D／A轉換后傳到PWM芯片中，實現單片機對開關電源的間接控制。這種技術目前已經比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個芯片，電路比較復雜；單片機經過A／D和D／A轉換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態性能和穩壓精度。也有的單片機集成了PWM輸出，但開關電源不斷往高頻化方向發展，一般單片機的時鐘頻率有限，產生的PWM輸出頻率和精度成反比，無法產生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。

（2）基于數字信號處理控制的開關電源

通過高性能數字芯片如DSP對電源實現直接控制，數字芯片完成信號采樣A／D轉換和PWM輸出等工作，由于輸出的數字PWM信號功率不足以驅動開關管，需要驅動芯片。這樣就可以簡化控制電路，由于這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現各種復雜的控制算法，實現對電源的有效控制，有較高的動態性能和穩壓精度。本文研究的數字開關電源采用這種控制方式。

2 基于DSP芯片TMS320LF2407控制的數字開關電源

2.1 數字控制電源系統的特點

（1）以數字信號處理器DSP或單片機為核心，將數字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統。

（2）采用“整合數字電源”技術，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。

（3）高集成度，實現了電源系統單片集成化，將大量的分立元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

（4）能充分發揮數字信號處理器及微控制器的優勢，使所設計的數字電源達到高技術指標。

這種技術可用于負載時間恒定的應用中，使電源運行在高頻狀態，如功率因數校正、非中斷電源、多個化學電池譯電和電機控制；還可用于采用若干可配置的PWM內核及控制、診斷和接口電路的手機以及PDA的PMU等其它應用。運行時間控制電路中的子電路或外設可為其電流狀態提供最適宜的運行電壓，以便節能。數字電源控制可使調節器更加靈敏。

2.2 DSP芯片TMS320LF2407簡介

T MS320系列DSP的體系結構專為實時信號處理而設計，該系列DSP集實時處理和控制外設功能于一身，為實現控制系統提供了理想的解決方案。

TMS320LF2407在TMS320系列基礎上有以下特點：

（1）高性能10位模／數轉換器（ADC）的轉換時間為500 ns，提供多達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）具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個均可提供兩個16位通用定時器和八個16位的PWM通道。

（4）高達24 k的FLASH程序存儲器。

（5）可擴展外部存儲器。

（6）五個外部中斷（兩個驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷）。

利用高性能的DSP數字芯片對電源實現直接控制，可以簡化控制電路的設計，再加上這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現各種復雜的控制算法。

2.3 基于DSP控制的開關電源原理

基于DSP控制的開關電源結構如圖1所示。

圖1 基于數字信號處理DSP控制的開關電源原理結構圖

圖中DSP采用目前流行的T MS320LF2407，主要進行數字PID計算；復雜可編程邏輯器件CPLD根據DSP計算的結果生成數字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象和半頻現象，實現了PWM控制的完全數字化；AID轉換電路用作電壓、電流、溫度等數據的采集，芯片可采用TLC5540芯片，或者TLC2543芯片，通過此AID轉換電路采集的電壓等信號，經數據總線低八位進入DSP，與標準正弦波信號進行比較，當檢測到輸出電壓幅度高于標準正弦波信號時，按比例降低占空比，從而實現對開關電源輸出正弦波和幅度的調制。DSP通過接口電路還可以擴展LCD、鍵盤進行人機交換以及通過串口RS－485或RS－232進行數據通信等。

3 結束語

基于數字信號處理的開關電源，雖然DSP芯片結構復雜，成本比較高，而且DSP控制技術相對較難掌握，況且利用單片機也能實現其部分功能，但運用DSP強大的數據處理能力及其速度優勢可以提高電源控制系統的精度和實時性，可以快速有效地實現各種復雜的控制算法，實現對電源的有效控制，有較高的動態性能和穩壓精度，滿足逆變電源更高的要求，為電源控制系統的全數字化提供必要的軟硬件基礎。

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