基于DSP控制的數字開關電源設計

胡時高，虎恩典，丁曉軍，劉 勇

(北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021)

基于DSP控制的數字開關電源設計

胡時高，虎恩典，丁曉軍，劉 勇

(北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021)

0 引言

開關電源以其體積小、重量輕和效率高等特點，被廣泛應用于電子計算機、家用電器、交通設施、通信和工業設備等領域。高可靠性、智能化及數字化是高頻開關電源的發展趨勢。一般的開關電源受專用脈寬調制IC固有功能的限制，而且控制電路復雜，由模擬元件存在的老化和溫漂等問題所引起的誤差使得開關電源的可靠性及精度較差。而數字系統具有設計周期短，易實現模塊化管理，能減小模擬元件引起的不穩定和電磁干擾等優點，因此數字控制在開關電源中得到迅速發展[1]。DSP芯片的高速處理能力和豐富的外圍設備，非常適合于實時數字信號處理，為開關電源采用全數字控制提供了可行性方案[2]。本文將DSP技術及數字PID控制應用于開關電源，簡化了控制電路，減少功耗，提高了控制靈活性和設備的可靠性。

1 系統總體結構

本文設計的開關電源基本組成結構框圖如圖1所示，主要由功率主電路、輔助電源電路和以DSP為核心的控制電路組成。主電路由交流輸入EMI防電磁干擾電源濾波器、整流濾波、高頻變換器和高頻整流濾波輸出四部分組成[3～6]。控制電路的功能是實現信號處理、閉環控制、故障保護等，通過調節主電路中開關器件的導通占空比來控制主電路輸出。其中，檢測電路負責功率主電路電流和最后輸出直流電壓的檢測取樣；驅動電路對DSP輸出的PWM信號進行隔離、放大，并產生驅動功率開關器件的驅動信號；保護電路當過壓、過流時封鎖PWM脈沖輸出，保護系統，它是電源系統可靠工作的保證。圖中虛線框內為TMS320LF2407A控制部分，完成信號的A/D轉換、PWM輸出和保護控制。輔助電源為控制電路和保護電路提供滿足一定技術要求的直流電源，以保證它們工作穩定可靠[5]。

圖1 系統硬件結構框圖

2 開關電源硬件設計

2.1 主電路拓撲結構

圖2 主電路原理圖

電源功率主電路用“AC-DC-AC-DC”變換的拓撲結構，其中高頻開關變換器是核心部分，采用典型的雙管半橋它激式電路，如圖2中虛線框內“高頻逆變”所示，圖中Q1、Q2為功率三極管，T1為高頻變壓器，T2為推動變壓器，C5、 C6為均壓電容，這些與一般的開關電源相同。其中串聯耦合電容C7用以改善高頻變壓器的偏磁性能[6]。基本工作原理是： 220V單相交流電經EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓，經由Q1、Q2構成的逆變電路產生高頻開關脈沖，在T1副邊線圈感應出交變的方波脈沖，后經高頻整流和LC濾波，得到所需的較高品質的直流電壓[5,9]。本設計最后輸出五種不同電壓分別為±12V，±5V，3.3V，最大總輸出功率可達210W。

2.2 驅動電路設計

因DSP產生的PWM信號很難直接驅動半橋逆變電路的功率開關管，所以要在DSP和半橋變換器之間加一個驅動電路，增加驅動功率，同時實現DSP控制回路與功率主電路的電氣隔離，保證DSP系統正常運行。本設計采用變壓器隔離驅動電路如圖3所示。DSP引腳PWM1和PWM2輸出相位差180o的脈寬調制控制信號，控制推動管Q3、Q4集電極所接T2推動變壓器初級繞組的激勵振蕩，在T2次級它激振蕩產生的感應電勢作用于功率開關管Q1、Q2的基極與發射極之間，從而控制主開關變壓器T1初級線圈的振蕩。其中D5、D6及C9確保Q3、Q4基極有低電平脈沖時能可靠截止。

圖3 功率開關管驅動電路

3 DSP控制電路設計

隨著開關電源不斷朝著高頻數字化發展，利用高性能DSP芯片對電源控制，不但可以簡化電路設計，還能快速有效實現各種復雜的控制算法。控制電路采用TMS320LF2407A DSP芯片，它集實時處理和控制外設功能于一體，為控制系統設計提供了很好的解決方案[7]。

3.1 TMS320LF2407A DSP特性概述

3.2 PWM波形的產生

1)通用定時器產生

每個GP定時器都有相應的比較寄存器TxCMP和輸出引腳TxPWM，當GP定時計數器的值與比較寄存器的值產生比較匹配時，TxPWM引腳電平發生跳變，輸出PWM波。為了設置GP定時器以產生PWM波，需要做以下工作[7,8]：

(1)根據預定的PWM周期設置TxPR；

(2)設置TxCON寄存器以確定計數模式和時鐘源，并使能GP定時器比較輸出操作；

(3)將PWM脈沖占空比加載到TxCMPR寄存器中。

2)用比較單元與脈寬調制電路產生

每個EV包括3個比較單元，每個比較單元都有一對PWM輸出。為產生一個PWM信號，需選擇GP定時器1或3在PWM周期內計數，當計數值與比較寄存器的值產生比較匹配時，相應的PWM輸出引腳電平跳變，輸出PWM波。PWM波形產生的設置如下[7,8]：

(1)設置和裝載ACTRx寄存器；

(2)若需要死區，則設置DBTCONx寄存器，避免半橋電路上下臂開關管直通；

(3)初始化CMPRx寄存器；

(4)設置和裝載T1CON或T3CON寄存器來啟動比較操作；

(5)更新CMPRx寄存器值，以改變PWM波占空比。

另外根據實際需求，可以選擇GP定時器的計數模式以產生對稱或非對稱的PWM波[10,11]。經實驗得知，用GP定時器產生跟比較單元與脈寬調制電路產生的PWM波相比，前者無論從產生后級推動變壓器輸出波形的最佳性及對死區控制的靈活性均較后者要優越性些，因此本設計采用前種控制方式，即用T3、T4的比較寄存器與計數寄存器通過比較匹配來產生非對稱PWM波，同時為避免半橋電路兩開關管的開通脈沖出現重疊而造成上下橋臂直通短路，在程序中設置約17us的死區延時，這樣保證其中一管導通前另一管子完全關斷。

3.3 電壓檢測

為了對輸出電壓進行控制及保護，需要實時采集輸出電壓信號，DSP內部將模擬電壓經ADC轉換成數字信號，輸入DSP存儲器中，CPU再對電壓信號進行分析、運算和處理，以達到控制輸出的目的。因DSP只能采集0～3.3V的電壓信號，所以在輸入信號進DSP的ADC之前，要對信號進行調理，包括輸入阻抗調整及硬件濾波，濾除不必要的干擾信號。本系統電壓檢測電路如圖4所示，運放采用MCP604，單電源3.3V供電，構成電壓跟隨器，作為輸入模擬信號的驅動和緩沖器，提供穩定的輸出阻抗，并且保護DSP的ADC輸入端[8]，R16、C12形成低通濾波。

圖4 輸出電壓采樣電路

3.4 過壓過流保護

4 系統控制算法及軟件實現

4.1 數字PID控制

為保證電源輸出電壓動態穩定，借助DSP強大的運算功能，采用LF2407A實現數字PID控制，本設計采用位置式PID控制，其離散表達式[1]為：

式中：e(k)為控制器輸入偏差，Ts為采樣周期，u(k)為PID調節器第k次輸出量。第k-1次PID控制器的輸出量如式（2）所示。

式(3)中，Kp為比例系數，Ki=KpTs/ Ti為積分系數，Kd=KpTd/ Ts為微分系數。于是得位置式PID控制的增量式遞推表達式為：

為減小檢測輸出偏差信號干擾，提高系統可靠性，在PID調節前，DSP先對電壓采樣值進行數字濾波[1]，即連續采樣輸出電壓，然后求其平均值作為有效采樣值。開關電源PID控制原理如圖5所示。

圖5 開關電源PID控制原理圖

通過PID控制來實時修改PWM波占空比，改變半橋變換器中開關管導通時間，從而控制輸出電壓大小。在本設計中，若輸出電壓檢測值超過設定值，則增大DSP輸出的PWM波形占空比，于是驅動電路中推動變壓器初級側激勵脈沖寬度變窄，使得開關管導通時間變短，輸出電壓降低。

4.2 軟件實現

軟件設計主要包括主程序、ADC中斷服務程序及PID控制子程序等三部分，如圖6所示。主程序中首先進行系統配置及初始化，然后初始化ADC、PWM及PID控制模塊參數，在等待中斷的時間內采集輸出電壓，若發生ADC中斷則進入相應的流程。本設計中CPU時鐘頻率設為40MHz，ADC模塊每10ms采樣一次，由EVA的T2周期中斷標志來觸發，EVB的T3、T4產生PWM1和PWM2。T3、T4均采用連續增計數模式，TxCNT與TxCMPR（x=3,4）值通過比較匹配產生非對稱PWM波，且載波頻率為25KHz。數字PID運算都在ADC中斷中調用執行，得到的輸出控制量u(k)經限幅后賦給TxCMPR，即在程序中加入下面語句來實現在線調整PWM波占空比：

其中T3PWM輸出極性設置為高有效，T4PWM設為低有效，CMAX為定時器計數最大值，Uk為PID控制器第k次輸出。

圖6 程序流程圖

5 實驗結果及分析

圖7是在示波器中觀測到的LF2407A引腳波形，通道1、2波形分別為T3PWM和T4PWM產生的一對PWM波輸出。圖中輸出脈沖幅值約為2.6V，周期40us，此時占空比是88.1%。

圖7 TMS320LF2407A輸出兩路PWM波形

圖8是12V電壓輸出端特性波形。由圖可知，當開關電源剛上電時，由于輸出電壓檢測值遠小于設定電壓，使得PID控制輸出達到飽和上限，輸出電壓迅速上升到最大并出現較小超調。由于電網波動，當輸出電壓突然增大到接近過壓值時，軟件執行過壓保護程序，開關管立即進入預關斷狀態，輸出電壓也減小。當檢測值大于設定電壓時PID輸出減小，輸出電壓也相應減小，從而維持輸出電壓恒定。

圖8 電壓輸出特性波形

圖9是12V輸出電壓端加阻容負載時的特性波形。圖中可知，緩慢增加負載時，輸出電壓基本不變，即使突加負載，通過閉環PID調節作用，也能維持輸出電壓的恒定，負載調整率維持在1%～3%，穩態性能也較好，若選擇更合適的PID參數，則可進一步提高負載調整率，使電源輸出特性最佳。

圖9 輸出電壓負載特性波形

6 結束語

本文將DSP作為開關電源的控制核心，充分利用DSP豐富的軟硬件資源實現開關電源的數字PID控制、脈寬調制及故障保護，簡化了控制電路，提高了控制靈活性和設備的可靠性。同時利用DSP可以快速實現各種復雜的控制算法，使電源具有較高的動態性能和穩壓精度[10,11]，因此DSP控制方式在今后開關電源的數字控制中發揮重要作用。

[1]姜少飛,閆英敏,趙霞,等.基于DSP的數字PID控制在開關電源中的應用[J].應用天地,2009,28(6):68-71.

[2]卜紅霞,胡永杰,王月香,等.基于DSP的開關電源的設計與實現[J].微計算機信息,2008,24(10-1):280-281.

[3]王仲根.基于DSP的推挽正激DC/DC變換器的設計[J].電源技術,2013,37(4):639-640.

[4]佘致廷,張紅梅,曹達,等.新型半橋式DC-DC軟開關逆變焊機的數字化控制[J].電源技術,2013,37(1):111-114.

[5]梁喆,歐陽名三.基于SG3525礦用直流變換器控制電路的設計[J].電源技術,2012,36(2):245-247.

[6]張占松,蔡宣三.高頻開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2004:265-345.

[7]張小鳴.DSP控制器原理及應用[M].北京:清華大學出版社,2009:261-362.

[8]劉和平,鄧力,江渝.DSP原理及電機控制應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006:182-220.

[9]RUAN X B,LI B,CHEN Q H.Fundamental considerations of three-level DC-DC converters:topolo gies,analyses,and control[J].IEEE Trans on Circuits and Systems,2008,55(11):3733-3742.

[10]MISHIMA T,NAKAOKA M.A novel high-frequency transformer linked soft-switching half-bridge DC-DC converter with constant frequency asymmetrical PWM scheme[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009,56(8):2961-2970.

[11]ETOH T,MANABE H,DOI T,et al.Novel input DC buslines side active soft-switching cells-assisted symmetrical PWM DC-DC converters with center-tapped HF transformer link rectifier[J].International Conference on Electrical Machines and Systems,2009,18(15):1-9.

Design of digital switching power supply based on DSP control

HU Shi-gao, HU En-dian, DING Xiao-jun, LIU Yong

結合開關電源的發展現狀，將數字控制的優點引入設計中，進一步提高開關電源性能。本文提出了基于DSP的開關電源數字PID控制方式，利用DSP事件管理器產生PwM信號，代替了一般的脈寬調制集成電路，并對其主電路、驅動電路及控制和保護電路進行了設計分析。試驗表明，該方法能實現對開關電源的有效控制，不但能簡化控制電路，提高設備的可靠性，還具有控制靈活、穩定快、負載調整率高等優點，可以在開關電源中推廣應用。

開關電源；PID控制；脈寬調制；DSP

胡時高（1986 -），男，碩士研究生，研究方向為計算機控制。

book=5,ebook=281

TM461.5

A

1009-0134(2014)06(上)-0112-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).33

2014-01-21