開關電源數字調壓系統設計

江良偉， 潘普豐， 弭寒光， 張宏波

(北京航天自動控制研究所，北京100854)

開關電源數字調壓系統設計

江良偉， 潘普豐， 弭寒光， 張宏波

(北京航天自動控制研究所，北京100854)

隨著電氣系統智能化、集成化的提高，對電源的操作也提出了新的要求。介紹了一種開關電源的遠程調壓系統，分別從系統組成、軟硬設計及應用情況進行了分析。經過試驗驗證，數字調壓系統運行可靠，能滿足電源使用要求。

開關電源；網絡；數字電位器；調壓系統

傳統的開關電源調壓系統是通過改變模擬電位器，進而改變基準參考電壓實現輸出電壓的改變。這種調壓系統存在明顯的不足，具有調壓精度低、不易調節且人為因素大，容易受溫度、振動等環境影響，不易進行遠程控制等缺點。

本文介紹了一種新型的數字調壓系統，不僅克服了模擬調壓系統的諸多缺點，而且操作方便，運行可靠。

1　系統組成

為了實現開關電源輸出電壓的調節，設計了一種新型的數字調壓系統。總體的方案是通過在被調電源外部增加調壓控制電路，調節開關電源反饋環路的基準電壓。其中核心執行部件是帶有SPI接口的數字電位器，控制中樞是電源監控板。

根據控制原理，采用開環控制，其中控制部分為電源監控板、執行機構是數字電位器、被控對象是開關電源。

基本工作原理如下：在測控計算機上輸入調壓設定值，通過網絡接口傳到電源監控板。在電源監控板中設有控制接口SPI，電源監控板發送SPI同步串口信號(片選信號、時鐘信號、數據信號)到數字電位器。數字電位器在SPI信號控制下，其抽頭電壓經過電壓跟隨器后和電壓基準合成一個0～3 V的參考電壓。通過變化的參考電壓去調節電源模塊的調壓端，實現了電源輸出電壓的數字調節。

2　硬件電路設計

根據圖1所示，數字調壓系統硬件電路主要涉及電源監控板和調壓電路的設計，其中電源監控板包括控制電路和網絡接口電路。

圖1　數字調壓系統框圖

2.1電源監控板

2.1.1控制電路設計

電源監控板控制電路主要由DSP、FPGA及外圍接口、數字量輸入電路、模擬量采樣電路、網絡通訊電路、存儲器電路以及調試接口電路等組成[1]。

監控板控制電路的CPU采用TI的DSPSM32C6713BGDP S20EP[2]，時鐘頻率25 MHz，工作頻率100 MHz；其中FPGA選用Actel的APA300；模數轉換芯片選用AD的AD7893SQ-5；網絡芯片選用SMSC的LAN9218I；組成框圖如圖2所示。

2.1.2網絡接口電路的設計

測控計算機與電源監控板通過網絡進行通訊，電源監控板中的網卡采用LAN9218I芯片[3]實現，與DSP通過地址線、數據線和控制線進行連接，部分控制信號由FPGA進行選擇。網絡采用UDP/IP協議，網絡連接采用的超五類網線。圖3為網絡接口電路框圖。

通過網絡，電源整機可以接收來自測控計算機發送的調壓命令，同時電源的調壓值也可以通過網絡傳送給測控計算機進行顯示。這部分實現數字調壓的遠程控制部分。

圖2　電源監控板組成框圖

圖3　電源網絡接口電路圖

2.2數字調壓電路設計

2.2.1數字電位器

數字電位器是數字調壓系統的主要執行元件。數字電位器亦稱數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數字、模擬混合信號處理的集成電路。本設計采用Microchip公司的MCP41010數字電位器[4]，其接口靈活，使用方便，適合各種產品應用。

數字電位器主要由兩部分組成：電阻輸出部分、邏輯控制部分。前者相當于模擬電位器，后者通過SPI接口控制電阻輸出。圖4是MCP41010的組成框圖。

圖4　MCP41010組成框圖

2.2.2調壓電路設計

圖5為調壓接口電路。數字電位器的SPI控制是通過電源監控板實現，其中SPI由監控板中FPGA的邏輯電路產生，FPGA采用Actel的APA300。由FPGA產生的SPI控制邏輯安全可靠、容易剪裁和配置，不易受到外部環境的干擾。通過對不同的數字電位器分配不同的地址，實現對多臺電源整機的電壓進行單獨調節。電源監控板與數字電位器中設有隔離芯片ADuM1410，防止外部干擾進入電源監控板，提高了SPI信號的抗干擾能力。

圖5　調壓電路

3　軟件設計

軟件設計是系統設計的重要組成部分，包括監控軟件和上位機軟件設計。監控軟件與上位機軟件通過網絡進行通訊，相互配合完成開關電源的數字調壓[5-6]。

3.1監控軟件

電源監控軟件采用層次化結構設計，整個軟件劃分為硬件管理層、網絡驅動層、通信管理層和功能實現層，軟件系統架構圖如圖6所示。

軟件采用C語言編寫，在無操作系統環境下運行。軟件采用結構化設計思想，自頂向下的開發模式，進行開發。其中，網卡驅動層實現了UDP、ARP、ICMP協議，用于電源控制模塊與上位機的網絡通信。

圖6　電源監控軟件系統架構

3.2上位機設計

監控軟件用于開關電源輸出測試，可以方便進行開關電源輸出調壓及狀態監視，采用VC++編寫。

圖7為用于監測開關電源運行情況的上位機界面，可以監測輸出電壓、輸出電流、均流情況、電源故障碼、系數標定、測試數據記錄，以及進行電源遠程調壓等。

圖7　上位機監控軟件示意圖

4　測試分析

將數字調壓系統應用于開關電源進行整機測試，表1是通過上位機監控軟件進行調壓后得到的調壓設定值與實測值。

表1　開關電源輸出調壓測試

通過實測表明：開關電源的各個模塊的電壓、電流均能正常實時顯示；通過點擊調壓按鈕，能對電源進行遠程的網絡調壓，調壓精度較高；當過流過壓時，實時界面能正常報警并記錄報警時間。

5　結論

本文主要圍繞電源遠程調壓的實現進行了深入的研究，設計了一款基于網絡的數字調壓系統，并進行了試驗驗證。通過對測試分析可以看出，數字調壓系統運行可靠，測試得到了較好的試驗結果，達到了預期設計的要求。

隨著現代電力電子技術的發展，數字調壓系統已經開始應用于開關電源領域。作為電源運行維護的重要支撐手段，網絡操作將發揮越來越重要的作用，也將在航天領域扮演其獨特的角色。本文的進一步工作將研究參與電源閉環控制的全數字控制及調壓系統。

[1]張功萱，顧一禾，鄒建偉，等.計算機組成原理[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6713B DATA SHEET [EB/OL].[2016-03-01].http://www.ti.com/cn/lit/gpn/tms320c6713b.

[3]SMSC.LAN9218I DATA SHEET[EB/OL].[2016-03-01].http://html.alldatasheet.com/html-pdf/179175/SMSC/LAN9218I-MT-E2/103/1/LAN9218I-MT-E2.html.

[4]Microchip Technology Inc.MCP41XXX/42XXX DATA SHEET [EB/OL].[2016-03-01].http://pdf.dzsc.com/0-E/MCP42010-E_P.pdf.

[5]俞斌，何志勇.基于DSP的通信電源監控系統的設計[J].微計算機信息，2012，28(8)：79-80.

[6]范永山，李治源，支彬安.高壓恒流充電電源監控系統設計[J].現代電子技術，2011，34(14)：195-198.

Design of digital voltage regulator for switch power supply

JIANG Liang-wei,PAN Pu-feng,MI Han-guang,ZHANG Hong-bo
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China)

With the intelligent and integrated improvement of electrical system,the operation of power supply has some new requirements.In this paper,a kind of remote voltage regulator in switch power supply was introduced;the system structure was analyzed,including the design proposal of software and hardware system,and the application. The experiment results show that the digital voltage regulator runs reliably,and meets the demand of power supply system.

switch power supply;network;digital potentiometer;voltage regulator

TM 46

A

1002-087 X(2016)10-2061-03

2016-03-20

江良偉(1982—)，男，浙江省人，工程師，碩士，主要研究方向為數字電源技術。