一種基于DSC技術的DC/DC變換器設計

張旭濤

(1.上海寶康電子控制工程有限公司，中國 上海201901；2.同濟大學電子與信息工程學院，中國 上海200092)

0 引言

作為現代電源的新領域，數字電源的發展潛力巨大，其優勢越來越明顯。近年來，Microchip公司瞄準數字電源的市場前景，先后推出多款電源專用的低價位DSC數字信號控制器。該系列控制器集成了高性能的DSP運算內核和單片機控制架構，具備完整的數字控制和系統管理功能，適用于設計高性價比的數字電源。本文選用Microchip公司DSC芯片，設計基于DSC技術的數字電源——DC/DC變換器。

1 系統硬件

系統硬件技術指標為：（1）輸入電壓：100~300VDC，輸出電壓0~48VDC可設定，最大輸出功率450W；（2）輸出紋波系數Vp-p低于120mV，電壓精度小于0.5%，正常工作效率高于90%；（3）通過按鍵設定輸出值；（4）具有過壓、過流保護功能。

系統硬件結構如圖1所示。主回路選用半橋式拓撲，具有抗不平衡的突出能力且無偏磁轉換。輸出回路采用同步整流技術，可以大大降低輸出端整流損耗。控制回路運用DSC技術，實現對系統的全數字化控制，即：通過A/D轉換，將電壓、電流采樣值轉換為數字量，利用相應的控制算法實現基準值與采樣值之間的誤差調節，最后實時輸出PWM信號，從而實現功率變換，產生輸出電壓。

從性能和價格考慮，DSC芯片選用Microchip公司電源專用控制器dsPIC33FJ16GS502。該控制器采用改進型的哈佛結構,包含強大的DSP引擎和擁有增強功能的指令集，處理速度最高可達40MIPS，具有快速而完善的中斷響應功能，并集成有高速模擬比較器、10位A/D轉換和脈寬調制器，無需CPU干預便可處理峰值負載。

圖1 系統硬件結構圖

2 系統軟件

全數字化控制由系統軟件在DSC芯片內部完成。系統軟件在每個開關周期內進入一次中斷,通過調用控制算法對采樣數據進行運算處理，產生新的PWM占空比值，送入相應的寄存器，從而輸出PWM波形。

系統軟件流程如圖2所示。在處理各模塊事件時，要根據系統特性來確定處理的優先順序。各模塊程序的編寫必須滿足信號采集和數據運算對精度和速度的要求。

圖2 系統軟件流程圖

3 控制算法

對于DC/DC變換器這樣一個非線性、時滯性系統，本文采用的是一種將模糊控制與PID控制相結合的控制算法，即模糊PID控制算法。如圖3所示，模糊PID控制算法以電流型控制為基礎，是典型的雙環控制。外環為電壓環，采用模糊控制器與積分環節共同作用，可以加快動態響應過程且消除穩態誤差。內環為電流環，采用PI控制，將前級輸出量與電流采樣量比較調節，輸出最后控制量d(k+1)，經DPWM單元輸出PWM信號。

圖3 控制算法結構圖

在控制算法中，模糊控制的控制規則是：（1）如果輸出電壓誤差很大，誤差變化率使得輸出電壓偏離期望值，則模糊控制器的輸出應該較大。（2）如果輸出電壓誤差很小，誤差變化率很大，則模糊控制器應該朝著減小超調的方向變化。（3）如果輸出電壓誤差變化使得誤差越來越小，而誤差本身較大，則模糊控制器輸出不需要很大。

4 結語

本設計充分發揮DSC技術優勢，合理引入現代控制理論，使得硬件電路大大簡化，系統性能顯著提升。該方案簡單實用、性價比高、容易推廣。

［1］徐小濤，吳延林.數字電源技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2011,3.

［2］劉鳳君.開關電源設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2014,6.

［3］石朝林.dsPIC數字信號控制器入門與實戰[M],北京：北京航空航天大學，2009,8.

［4］陳紅，王聰，王俊.開關電源設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2014,6.