基于DSP的車載充電機輔助電源的設計

黃智宇，陳 波，徐正龍

(重慶郵電大學自動化學院，重慶400065)

基于DSP的車載充電機輔助電源的設計

黃智宇，陳 波，徐正龍

(重慶郵電大學自動化學院，重慶400065)

近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，設計一種高精度的數(shù)字式車載充電機已經成為其中的一個關鍵點。然而，對于車載充電機而言，一種高穩(wěn)定性的輔助供電電源是其不可缺少的部分，如果供電電源性能不好，很可能導致整個充電機系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此，采用DSP芯片TMS320F2812作為主控芯片設計了一種高性能的數(shù)字式多路輸出反激式開關電源用作電動汽車車載充電機的輔助供電電源。詳細介紹了系統(tǒng)硬件電路的組成和控制算法的實現(xiàn)過程，并進行了相關的實驗測試。測試結果表明，系統(tǒng)的硬件設計合理，輸出的電壓穩(wěn)定、紋波小，具有一定的實用價值。

數(shù)字式；充電機；輔助電源；DSP

電動汽車的充電裝置總體上可以分為車載充電裝置和非車載充電裝置[1]。車載充電設備將電壓升降裝置和整流裝置安裝在車內，充電時只要有合適的市電和匹配的插件即可。非車載充電設備可以像公共加油站一樣設計成公共充電站，設置在合適的路口、道旁，也可以設計成家用充電站，設置在車庫內。本文引出的數(shù)字式車載充電機就是車載充電裝置中的一種。該充電裝置體積小、質量輕、針對性強、實用方便，主要由DC-DC、APFC和DSP等3大模塊組成。然而，這三個模塊都需要不同的高精度供電電源，如果輔助供電電源性能不好，將會直接影響整個充電機系統(tǒng)的正常工作。因此，設計一款精度高、可靠性高的輔助電源十分重要。本文的數(shù)字式反激多路輸出輔助電源與車載充電機共用一個IC，這樣可以充分利用DSP的內部資源。其主要參數(shù)設計要求如下：(1)開關頻率50 kHz，效率80%。(2)交流輸入電壓范圍176～264 V,最大占空比為0.5，系統(tǒng)工作在DCM模式。(3)兩路輸出的電壓分別為5 V/15 V，電流分別為1 A/3 A，紋波電壓小于1%。

1 系統(tǒng)總體結構

本文所設計的基于DSP的車載充電機輔助電源系統(tǒng)主要由功率主電路、電壓檢測電路、驅動電路、LCD顯示電路、保護電路和DSP電路6個部分組成。系統(tǒng)中的DSP作為設計主控制器，完成數(shù)據(jù)采樣、AD控制、數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

其工作流程為：電網輸入的交流電通過EMI電路濾除外界電網的高頻脈沖干擾，同時減少開關電源本身對外界的電磁干擾；而后通過整流橋和輸入濾波電路，使交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姡ㄟ^反激變壓器和輸出整流二極管后，采用電容濾波，得到紋波較小的輸出電壓；輸出電壓經過電壓檢測電路提高帶載能力，主控芯片對調理后的電壓進行采樣、A/D轉換后與基準電壓做差，通過增量式PID控制算法得到控制量，從而調節(jié)PWM波的占空比去控制開關管的通斷時間，使得輸出電壓恒定并通過LCD顯示器顯示電源的輸出信息，以便于實時監(jiān)控。同時，為保證功率轉換電路能安全可靠工作，本文還設計了相應的保護電路。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由功率主電路、DSP接口電路、驅動電路、電壓檢測電路、顯示電路、保護電路這6部分組成。

2.1 主電路設計

系統(tǒng)功率主電路主要由EMI電路、整流電路、RCD鉗位電路和次級整流濾波電路組成。EMI電源濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。本文選擇集成芯片KPB210作為整流電路，其承受的反壓值大，工作穩(wěn)定。RCD鉗位電路能夠很好地吸收變壓器漏感在開關管關斷時產生的電壓尖峰，防止開關管受到高壓被擊穿。吸收回路的作用是降低電壓尖峰，緩沖尖峰電流，降低開關損耗。次級濾波采用的是πLC濾波器，能夠較好地減小輸出電壓紋波。

2.2 DSP器件及其接口電路

系統(tǒng)選擇的 DSP控制芯片為德州儀器公司的TMS320F2812，該芯片是一款高性能、低功耗的DSP芯片，具有18 K的RAM，128 K的片內Flash，時鐘頻率高達150 MHz，同時具有16個12位的A/D通道，2個事件管理器，資源配備十分豐富。

DSP的接口電路如圖2所示，DSP內部集成的采樣通道ADCINA0...A4分別采集輸出電壓，輸入電流和功率開關管的溫度并通過LCD液晶實時顯示。由于DSP的I/O電壓是3.3 V，而液晶需要的電壓是5 V，為了保證DSP和液晶的通信，在它們之間加入74CBTD3384電平轉換芯片。

圖2 DSP接口電路框圖

2.3 驅動電路設計

在開關電源中，通常選用MOSFET作為功率開關管。MOSFET是一種電壓型驅動器件，其電壓驅動電路比較簡單，常用的有簡易分立驅動和專用的驅動芯片如IR2110，IR211等集成驅動芯片，這些芯片采用自舉技術，電路簡單可靠，擁有較好的保護功能[2]。大多應用在逆變場合，本設計出于成本的考慮設計了一種比較簡單的隔離MOSFET驅動電路，采用了集成光耦TLP250實現(xiàn)功率放大以及隔離功能，該芯片的電源輸入電壓范圍是10～35 V，輸出的電流±1 A，導通時間0.5 μs，隔離電壓高于2 500 V，滿足設計的要求，其電路圖結構如圖3所示。

圖3 驅動電路

2.4 電壓檢測電路設計

電壓檢測電路如圖4所示，LM358運算放大器集成電壓跟隨器電路，有緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。輸出電壓經電阻分壓、電壓跟隨器和RC電路濾波后，送達DSP的采樣端口。為保證DSP芯片工作安全，采用D9、D10兩個二極管組成保護鉗位電路。當采樣端口電壓高于3.3 V時，D9導通，端口電壓被鉗位到3.3 V；同理當端口電壓為負電壓時，D10導通，端口電壓被鉗位到0 V。由此，采樣端口的電壓被限制在0～3 V，確保DSP的安全。

圖4 電壓檢測電路

2.5 顯示電路設計

顯示電路選用的是LCD1602液晶顯示模塊，其主要作用是實時顯示各路采樣的數(shù)據(jù)，以便于觀察系統(tǒng)的實時運行情況。

2.6 保護電路設計

為確保系統(tǒng)能安全可靠工作，TMS320F2812提供T2CTRIP_PDPINT輸入信號，利用它可以方便實現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護功能，具體實現(xiàn)框圖如圖5所示。

各種故障信號經或門CD4075B綜合后，經光電隔離、反相及電平轉換后輸入到T2CTRIP_PDPINT引腳，出現(xiàn)任何故障時，CD4075B輸出高電平，T2CTRIP_PDPINT引腳相應被拉為低電平，此時引腳T1PWM_T1CMP將立即變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，也就不再有PWM波形輸出，從而有效地保護了系統(tǒng)。

圖5 保護電路框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要由PID控制程序設計和系統(tǒng)控制程序設計組成。其中系統(tǒng)控制程序又包括：系統(tǒng)初始化程序設計、A/D中斷處理程序設計、顯示電路程序設計。軟件的整體工作流程如下：首先確保系統(tǒng)各部分初始化，在進入A/D中斷后對采集到的數(shù)據(jù)進行PID算法處理，并在中斷中顯示采集到的實時數(shù)據(jù)。本文設定的系統(tǒng)時鐘頻率為150 MHz，高速外設時鐘HSPCLK和低速外設時鐘LSPCLK分別為75 MHz和37.5 MHz。PWM波由通用定時器T2產生，連續(xù)增計數(shù)模式，低電平有效。脈沖波的頻率為50 MHz，采用通用定時器T1的周期中斷來啟動A/D，T1設定的周期為0.1 ms，也就是采樣頻率為10 kHz。ADC模塊工作于級聯(lián)模式，并采用順序采樣。

3.1 PID算法原理及其程序流程圖

PID調節(jié)器由比例調節(jié)器(P)、積分調節(jié)器(I)和微分調節(jié)器(D)三部分構成,它對得到的偏差值做比例、積分和微分運算后,通過計算得到輸出控制量來控制被控對象[3]。

本文的PID控制流程如圖6所示,數(shù)據(jù)采集進來后，計算出預設值和采樣值的偏差量。為防止系統(tǒng)在運行初期由于控制量()過大而使得開關管的占空比太大，需要對()做限幅處理。若()過大，瞬間的大占空比有可能會引起大電流，導致開關管的損壞；同理，設定一個最小幅度限制，使得電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)。偏差量經過PID控制算法處理后得到實際控制量，從而改變波形輸出的占空比。

圖6 PID控制流程圖

3.2 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)的控制流程如圖7所示，先對系統(tǒng)進行初始化，主要包括鎖相環(huán)的設置、系統(tǒng)時鐘頻率的初始化、I/O口的初始化、ADC模塊的初始化和EV模塊的初始化[4]。初始化后進入A/D中斷，在中斷中讀取采集的電壓值并在LCD中實時顯示，采集的數(shù)據(jù)經PID處理后，得到控制量并更新CMPR2比較值。由于反激拓撲最大占空比不能超過50%，并且占空比也不能太低，故設計了最大占空比和最小占空比的幅度限制。當?shù)玫降目刂屏看笥谧畲笳伎毡葧r，則將占空比強制等于最大占空比[5]；反之，當?shù)玫降目刂屏啃∮谧钚≌伎毡葧r，則將占空比強制等于最小占空比。最后開通PIEACK，退出A/D中斷。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

4 系統(tǒng)仿真與測試

系統(tǒng)的仿真測試包括：功率主電路模擬仿真測試、驅動電路測試、PID程序測試、輸出電壓測試。主電路的仿真測試是為了確保主電路參數(shù)設計的合理性；驅動電路的測試是驗證其是否起到提高電壓的作用；PID程序的測試是為了輔助選擇理想的PID參數(shù)；輸出電壓測試是為了驗證是否達到系統(tǒng)預設的要求[6]。

4.1 主電路模擬仿真

本文采用模擬電路仿真的方法驗證主電路的參數(shù)設計是否合理。按原理圖選定的器件參數(shù)在Saber仿真軟件中搭建模擬開關電源仿真電路。其中模擬芯片采用的是UC3843，主輸出回路的電壓經過TL431和光耦隔離后送給模擬芯片，芯片根據(jù)得到的輸出來調整占空比，使得輸出的電壓達到穩(wěn)定。設置好仿真參數(shù)后，運行Saber軟件，在CosmosScope里觀察到仿真結果如圖8所示。

圖8 主電路模擬仿真波形圖

圖中的第一個波形是高頻變壓器一次側的電流波形。從圖中可以看到，電流值經過了零點，即在下一個周期的開關管開通之前，初級的能量已經完全釋放給了次級。也就是說開關電源系統(tǒng)工作在DCM(斷續(xù)模式)，與系統(tǒng)設計的模式相同。后面兩個波形分別是15和5 V電壓輸出路的電壓值。從圖中可以看到，電壓輸出值較平穩(wěn)，紋波較小，充分驗證了主電路參數(shù)設計的合理性。

4.2 驅動電路測試

將DSP的PWM輸出端口與驅動板的輸入端口連接在一起，給驅動電路上電，用示波器分別測得經過驅動電路前后的PWM波形如圖9所示。從圖中可以看到，驅動前后波形的占空比和頻率都沒有改變，而電壓幅值得到提高，起到了驅動電路的作用。

圖9 驅動電路測試波形

4.3 PID程序測試

為確保DSP芯片的安全，本文選用兩節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)的電壓作為端口的采樣值。通過調節(jié)電位器來模擬采樣值的變化，并通過示波器觀察PWM波形的變化。同時，通過設定不同的PID參數(shù)并觀察占空比穩(wěn)定所要的時間，選擇合理的PID參數(shù)值。圖10是PID調試的波形圖，旋動電位器時，采樣的電壓值發(fā)生變化，占空比也隨之發(fā)生改變。由圖可知占空比隨著采樣值的變化而變化，充分驗證了PID程序的正確性。

圖10 PID調試的波形圖

4.4 輸出電壓測試

利用萬用表分別測試兩路電壓的輸出值，測得的5組實際電壓值如表1所示。

表1 輸出電壓的實際測量值

測試結果表明5和15 V兩路輸出的實際電壓都比較穩(wěn)定，紋波系數(shù)都在1%以內，達到了預定的設計要求。

5 結論

本文設計完成了一種基于TMS320F2812的數(shù)字多路輸出反激式車載充電機輔助開關電源。實驗結果證明，該電源相對傳統(tǒng)的模擬開關電源，在輸出電壓的精度和穩(wěn)定性上都得到明顯提高，控制策略的更改變得更加容易可行，控制電路更加簡單可靠。同時，能夠為電動汽車車載充電機的其它部分提供高精度、高可靠性的電源，確保車載充電機的穩(wěn)定運行，具有一定的實用價值。

[1]魯莽，周小兵，張維.國內外電動汽車充電設施發(fā)展狀況研究[J].華中電力，2010,23(5):16-20.

[2]劉真.基于DSP的反激式數(shù)字開關電源的設計與研究[D].長沙：中南大學，2009.

[3]王平，謝昊飛，將建春.計算機控制技術及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4]MITWALLI A H,LEEB S B,VERGHESE G C,et al.An adaptive digital controller for a unity power factor converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,11(2):374-382.

[5]HAMADA S,MARUYAMAY,NAKAOKA M,et al.Saturabler reactor assisted soft-switch technique in PWM DC-DC converter[J]. IEEE PESC,1992(1):93-100.

[6]WU X,LU W,ZHANG J,et al.Extra wide input voltage range and high efficiency DC-DC converter using hybrid modulation[C]// Industry Applications Conference.US:IEEE,2006:588-594.

Design of vehicle charger auxiliary power supply based on DSP

With the rapid development of electric vehicles, the design of a high-precision digital car charger had become one of the key points.However,for the purposes of vehicle charger,a high stability of the auxiliary power supply was an indispensable part of it, if the power supply performance was not good. It may cause the entire charger system instability.Therefore,the DSP chip TMS320F2812 was used as the control chip of system design of a high performance digital multiplexed output flyback switching power supply for auxiliary power on-board charger. The system hardware circuit and control algorithm of process were introduced particularly.The experimental tests were conducted.Test results show that the system design is reasonable and stable output voltage,the ripple is small and has some practical value.

digital;charger;auxiliary power supply;DSP

TM 910.6

A

1002-087 X(2015)10-2254-03

2015-03-22

車聯(lián)網智能信息終端中間件關鍵技術研究及應用項目(工信部物聯(lián)網專項)

黃智宇(1978—)，男，四川省人，副教授，博士，主要研究方向為汽車電子與嵌入式系統(tǒng)，新能源汽車關鍵技術和數(shù)字系統(tǒng)設計等。