基于DSP的自動(dòng)氣象站開關(guān)電源設(shè)計(jì)

鄧海利，李永果，趙京峰

(山東省濟(jì)寧市氣象局，山東 濟(jì)寧 272000)

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基于DSP的自動(dòng)氣象站開關(guān)電源設(shè)計(jì)

鄧海利，李永果，趙京峰

(山東省濟(jì)寧市氣象局，山東 濟(jì)寧 272000)

摘要:運(yùn)用TI公司的TMS320X28x 系列的微控器作為核心，設(shè)計(jì)了一款適用于自動(dòng)氣象站用的開關(guān)電源。該開關(guān)電源設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)，通過軟件仿真得出運(yùn)行結(jié)果，結(jié)果表明：該開關(guān)電源的電流能很好地跟隨電壓，穩(wěn)定輸出所用時(shí)間短，達(dá)到預(yù)期效果，可以滿足自動(dòng)氣象站需求，提高電源的遠(yuǎn)程維護(hù)能力。

關(guān)鍵詞：DSP；自動(dòng)氣象站；數(shù)字開關(guān)電源；電路

0　引　言

自動(dòng)氣象站是氣象業(yè)務(wù)的重要組成部分，合理布置自動(dòng)氣象站的數(shù)量和密度，可以提高氣象數(shù)據(jù)的精確度，從而提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)自動(dòng)氣象站電源維護(hù)較為困難，電磁兼容性相對較差。隨著數(shù)字信號處理器(DSP)的運(yùn)算速度顯著提高，價(jià)格卻逐步降低，使得傳統(tǒng)中只能用于精密、高端通信設(shè)備的DSP可以運(yùn)用在自動(dòng)氣象站電源中。該新型電源的優(yōu)點(diǎn):采用數(shù)字信號可避免模擬信號傳輸過程中的失真；降低外界噪聲對控制信號的干擾；電源體積小，便于安裝和維護(hù)；可以根據(jù)實(shí)際工作需求寫入遠(yuǎn)程通信軟件，用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，便于故障排除。

1　設(shè)計(jì)目的和要求

以DSP為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款具有有源功率因數(shù)校正電路的數(shù)字開關(guān)電源。該電源能夠滿足自動(dòng)氣象站的用電需求。該數(shù)字電源的主要技術(shù)指標(biāo)與性能參數(shù)如下： 輸入交流電壓為市電220 V±20%； 輸出直流電壓為48 V；輸入電壓頻率：50 Hz±10%； 輸出功率：500 W； 開關(guān)頻率：80 kHz； 功率因數(shù)：>0.99[1]。

2　設(shè)計(jì)的總體方案

基于DSP 的數(shù)字開關(guān)電源的硬件組成包含以下幾個(gè)部分：

(1)EMC模塊：消除220 V市電的共模和差模干擾，并減小開關(guān)產(chǎn)生的高頻干擾進(jìn)入市電，減小對市電的干擾；

(2)PFC 模塊：提高電源的功率因數(shù)，減小無功功率；

(3)DC-DC模塊：電壓變換，轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾妷狠敵觯?/p>

(4)控制器模塊：完成電壓、電流采樣，反饋，控制直流電壓穩(wěn)定輸出，與主機(jī)進(jìn)行通信，反饋電源狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能控制；

(5)驅(qū)動(dòng)電路：DSP輸出的PWM 波不能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，需要驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓和較大的驅(qū)動(dòng)能力。其硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)圖

3　設(shè)計(jì)詳細(xì)原理

3.1　EMI 及整流電路模塊

數(shù)字開關(guān)電源有自身的優(yōu)勢，但是其所面臨的電磁兼容問題，對系統(tǒng)的可靠正常運(yùn)行的影響也越來越嚴(yán)重[2]。在所有開關(guān)電源中，電磁兼容(EMC)問題尤其重要,解決這個(gè)問題的方法是采用濾波器，濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路中包括L1和L2構(gòu)成的共模扼流圈(也稱共模電感,兩者繞向和匝數(shù)均相同)、濾波電容C1～C4。共模扼流圈對差模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電流通過時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場就會(huì)互相加強(qiáng)，它們在閉合磁環(huán)中的磁場相反而相互抵消。

圖2 EMI濾波器

3.2　PFC 電路的硬件設(shè)計(jì)

任意一種 DC/DC 變換器從理論上都可以作為PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但由于 Boost 型變換器特有的性質(zhì)，它被廣泛地作為PFC電路的首選結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)有： 開關(guān)器件承受壓差低于輸出電壓；由于電路帶有電感元件，可有效降低電網(wǎng)對主電路的瞬時(shí)高頻沖擊；電磁兼容性好，具有較低的 EMI(電磁干擾)和 RFI(射頻干擾)； 輸出電壓高，便于后級電路處理；功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)簡單。

Boost 電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。它由一個(gè)升壓電感 L，一個(gè)功率管Q，一個(gè)濾波電容 C 和一個(gè)隔離二極管構(gòu)成。

圖3 Boost變換器電路

假設(shè)圖中各元件均為理想器件，當(dāng)功率開關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)電感 L和功率管Q，且不流經(jīng)二極管 D，在電感 L的線圈飽和之前，電流持續(xù)增加，電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲于電感線圈中，由電感兩端電壓左正右負(fù)。當(dāng)功率開關(guān)管 Q 截止時(shí)，電感 L產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，其儲存的電荷經(jīng)由二極管 D 給負(fù)載 R 供電，同時(shí)對電容C充電。當(dāng)功率開關(guān)管 Q 再次導(dǎo)通時(shí)，電感重復(fù)充電，而已經(jīng)完成充電的電容C 和負(fù)載 R 構(gòu)成回路，C 向R 供電。 電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PFC電路結(jié)構(gòu)

3.3　全橋 DC/DC 電路硬件設(shè)計(jì)

該電路設(shè)計(jì)采用在原邊加箝位二極管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖中的D5和D6就是兩個(gè)箝位二極管。當(dāng)副邊二極管的方向恢復(fù)特性使得寄生電容開始振蕩時(shí)，經(jīng)過繞組的傳遞作用，副邊電壓映射到原邊，箝位二極管導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)抑制副邊二極管電壓尖峰和振蕩問題。同時(shí)D5、D6在一個(gè)周期內(nèi)各自只導(dǎo)通了一次，這在一定程度上減小了電流損耗。

圖5 帶箝位二極管的移相全橋變換器

3.4　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由 DSP 輸出的 PWM 波的電壓等級和功率無法直接驅(qū)動(dòng) MOSFET，往往需要驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)PWM控制。值得注意的是如果不加電氣隔離措施，直接驅(qū)動(dòng)功率器件，控制芯片容易受到干擾，嚴(yán)重的還會(huì)被反饋電壓損壞。良好的驅(qū)動(dòng)隔離電路的設(shè)計(jì)可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

在設(shè)計(jì)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮驅(qū)動(dòng)電流大小、驅(qū)動(dòng)電壓的穩(wěn)定性、開關(guān)速率、抗干擾性、是否有電氣隔離等問題。目前常用的驅(qū)動(dòng)MOSFET管的方式有以下幾種:直接驅(qū)動(dòng)方式、光耦隔離驅(qū)動(dòng)方式、脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式和集成驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方式。本設(shè)計(jì)采用光耦隔離后加驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方式，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為80 kHz，周期為12.5 μs，因此要求光耦合器件的傳輸速率要足夠快。本文選用單通道高速光耦6N137，其最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10 Mbit/s，符合設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)芯片采用經(jīng)典型號IR2110，其采用了HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500 V，du/dt=±50 V/ns，15 V下靜態(tài)功耗僅116 mW；輸出的電源端電壓范圍10～20 V；邏輯電源電壓范圍(腳9)5～15 V，可方便地與TTL、CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有5 V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500 kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120 ns 和94 ns；輸出峰值電流為2 A[3]。由于這種驅(qū)動(dòng)方案的電氣特性滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中五個(gè)功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求，因此均可用同一驅(qū)動(dòng)電路。其驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4　軟件設(shè)計(jì)

主程序需要完成對系統(tǒng)的初始化、開機(jī)自檢、相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理、中斷等待等幾項(xiàng)工作。系統(tǒng)初始化包括時(shí)鐘初始化、事件管理器初始化、變量初始化、AD初始化以及對定時(shí)器的設(shè)置。此外，還要判斷輸入電壓的范圍，確保輸入的外部電壓處于正常范圍之內(nèi)。系統(tǒng)在完成這些準(zhǔn)備工作之后，就進(jìn)入開機(jī)自檢狀態(tài)。由于系統(tǒng)是由兩片數(shù)字控制核心分別控制前后兩級功率轉(zhuǎn)換電路，所以，兩個(gè)電路的協(xié)調(diào)工作顯得尤為重要，一旦開機(jī)過程中出現(xiàn)APFC異常，后級DC/DC電路可能產(chǎn)生損壞等嚴(yán)重后果[4]。兩片數(shù)字控制芯片以主從方式工作，前級APFC電路TMS320F28027作為從控制器，后級DC/DC電路TMS320F2812作為主控制器，所以兩個(gè)控制核心的自檢程序不同。正確的啟動(dòng)順序?yàn)椋合裙β室驍?shù)校正電路后移相全橋變換器。因此在正式啟動(dòng)功率轉(zhuǎn)換電路之前，主控芯片要確定前級功率因數(shù)校正電路已經(jīng)正確啟動(dòng)后才能啟動(dòng)后級移相全橋變換器。

5　程序調(diào)試和仿真結(jié)果

主電路中各元件的主要參數(shù)設(shè)置如下：輸入電壓：交流220 V；頻率：50 Hz；升壓電感：1.2 mH；輸出濾波電容：2 400 μF，負(fù)載：100 Ω。仿真參數(shù)中，算法為可變步長 ode23tb，最大步長設(shè)置為1e-6，相對精度1e-3。運(yùn)行后得到仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 輸入電壓和電流波形

圖8 穩(wěn)態(tài)輸出電壓波形

圖 7是輸入電壓和電流波形的對比圖，電壓幅值經(jīng)過 20倍比例縮小，但不影響相位，從圖中可以看到，電流波形能夠很好地跟蹤電壓波形，兩者之間的相位差很小，基本實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。圖 8是輸出電壓波形，可以看到，在啟動(dòng)階段，電壓超調(diào)量小，達(dá)到穩(wěn)定輸出所需時(shí)間短。以上結(jié)果說明 F-PI 控制器在功率因數(shù)校正電路中起到良好的控制作用，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6　結(jié)束語

基于DSP的自動(dòng)氣象站數(shù)字開關(guān)電源由于其控制算法是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以在應(yīng)用中可以根據(jù)不同的環(huán)境參數(shù)，改變控制算法和策略，并且通過軟件控制，提高電源的效率、精度等。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉興麗. 基于GPRS的多要素自動(dòng)氣象站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2010.

[2]馮利民.電力電子系統(tǒng)中數(shù)字控制器EMC設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江大學(xué), 2007.

[3]International Rectifier. IR2110 Datasheet[Z].2005.

[4]高華麗.數(shù)字開關(guān)電源的研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2010.

設(shè)計(jì)應(yīng)用

Design of Switching Mode Power Supply for Automatic Weather Station Based on DSP

DENG Hai-li, LI Yong-guo, ZHAO Jing-feng

(Jining Meteorological Bureau of Shandong Province, Jining 272000, China)

Abstract:A switching mode power supply suitable for automatic weather station is designed using TMS320X28x from TI as the controller. The whole design is composed of hardware and software design. And simulation results show that the switching mode power supply current can follow the voltage very well. At the same time the voltage can be stable in a short time. Finally the design achieves the desired result, meets the needs of automatic weather station and has improved remote maintenance ability.

Key words:DSP; automatic weather station; digital switching mode power supply; circuit

中圖分類號：TM72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0060-03

作者簡介：鄧海利( 1979-) , 男, 山東濟(jì)寧人, 碩士, 工程師, 主要從事雷電防護(hù)技術(shù)工作。

收稿日期：2014-12-18