基于TMS320F28044數(shù)字電源設(shè)計(jì)

什么是數(shù)字電源?TI從功能上對數(shù)字電源進(jìn)行了定義：數(shù)字電源就是數(shù)字化控制的電源產(chǎn)品，它能提供管理和監(jiān)控功能，并延伸到對整個(gè)回路的控制。針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用，TI推出了多款可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源產(chǎn)品的DSP處理器，如TMS320F280x系列、TMS320F2801x系列，還有可輸出16通道高精度PWM的DSP處理器TMS320F28044。在要求DC通道較多的系統(tǒng)，用28044設(shè)計(jì)數(shù)字電源就顯得非常的容易，一顆DSP最多可控制16通道的DC，輸出電壓任意可編程，極大地增強(qiáng)了電源系的靈活性，同時(shí)電源系統(tǒng)將變得非常智能和可控。本文主要探討如何基于TMS320F28044設(shè)計(jì)多通道的DC/DC電源。

系統(tǒng)框架
圖1展示了基于C2000DSP設(shè)計(jì)的多通道DC/DC數(shù)字電源系統(tǒng)框架，DC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為典型的BUCK電路或者同步BUCK電路，輸出電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)采樣后直接送到DSP的ADC端口，DSP內(nèi)部對該值采樣，然后和系統(tǒng)的給定值做比較，比較后的誤差值經(jīng)過PID調(diào)解器得到每個(gè)通道的占空比，這樣每路BUCK電路都形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)一些外設(shè)接口如RS232、I2C，DSP通過這些接口可以與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，或者通過I2C接口來遵循PMBUS協(xié)議，組成智能數(shù)字電源系統(tǒng)。

高精度PWM

圖1 基于C2000數(shù)字DC/DC系統(tǒng)框架

TMS320F28044提供高達(dá)16路的高精度PWM波。理論上，PWM波在系統(tǒng)主頻100MHz下最高可以得到10ns的分辨率，但是作為DC/DC變換器，如果要得到精度高、紋波小的直流輸出電壓，那么就需要更高的開關(guān)頻率和更高的PWM分辨率。TMS320F28044內(nèi)部提供一個(gè)微邊沿控制器，可以輸出最小150ps的PWM。設(shè)系統(tǒng)的主頻為100MHz，PWM波的頻率為200kHz，占空比需要輸出50.1%，如果僅僅使用普通的PWM波輸出，那么周期值設(shè)為5000，COMPA的值設(shè)為250，最高為2500個(gè)ns ,占空比就為50%，設(shè)為251，占空比就為50.2%。那么如何才能最大限度的得到接近于50.1%的占空比呢，這就需要用到高精度PWM波，COMPA的值設(shè)為250，接下來需要再產(chǎn)生5ns的高電平，CMPAHR設(shè)為32，32×150=4.8ns，占空比為50.096%，CMPAHR設(shè)為33，33×150=4.95ns，占空比就為50.099%，CMPAHR設(shè)為34，34×150=5.1ns，占空比為     50.102%，由此可見當(dāng)CMPAHR設(shè)為33時(shí)，占空比的誤差僅為0.001%，如果不使用高精度的PWM波，誤差就為0.1%?？梢娡ㄟ^使用高精度的PWM波，可以把誤差縮小兩個(gè)數(shù)量級。如果使用它來控制數(shù)字電源的話，可以大大提高數(shù)字電源的控制精度。

BUCK環(huán)路拓?fù)?/P>

圖2 基于BUCK的數(shù)字控制拓?fù)?/P>

圖2展示了基于BUCK電路的DC/DC數(shù)字控制拓?fù)?，Q1、二極管、L、C、R組成了BUCK降壓型變換器，輸出電壓經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號送到DSP的內(nèi)部ADC，ADC的輸出與參考電壓比較之后得到誤差信號E，E再經(jīng)過電壓環(huán)的控制器GC得到調(diào)整后的BUCK調(diào)解器占空比U，U作為片內(nèi)PWM模塊輸出的計(jì)算因子，生成相應(yīng)占空比的PWM信號，PWM信號再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管的導(dǎo)通，得到期望的輸出電壓。整個(gè)過程全部通過DSP內(nèi)部的數(shù)字控制，通過設(shè)置合適的PID參數(shù)，可以得到很好的動(dòng)態(tài)特性。

數(shù)字采樣

圖3 DC/DC變換器數(shù)字采樣原理

數(shù)字控制中采樣時(shí)刻的選取對控制策略有著很重要的意義。圖3展示了在DC/DC變換器中如何合理的設(shè)置ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，以期得到準(zhǔn)確的采樣值。上圖中T1生成對稱模式的PWM波，T1的比較寄存器可以用來存放需要生成的PWM波的占空比，通過改變比較寄存器的值，就可以得到期望占空比的PWM波。在本例中ADC的控制寄存器設(shè)置的轉(zhuǎn)換觸發(fā)發(fā)生在ADC上升沿的中間處，也就是開關(guān)管導(dǎo)通的中間時(shí)刻，ADC轉(zhuǎn)換完成之后,將會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，在中斷服務(wù)子程序中，用戶程序從ADC的結(jié)果寄存器中讀取AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果，執(zhí)行數(shù)字控制器，更新PWM波的輸出占空比，新的PWM波有效發(fā)生在下一個(gè)周期。在圖3可以看出，從控制器執(zhí)行完PWM波更新到下個(gè)ADC中斷觸發(fā)來臨，這中間有很多空閑時(shí)間，這就意味著如果系統(tǒng)得帶寬足夠的話，在這中間可以加入更多的控制器來控制多路的DC/DC變換器。在Background Loop中可以執(zhí)行其他的用戶程序如通信等。

PID控制
TI提供的數(shù)字電源開發(fā)包中有控制器的算法宏，該宏在ControlLawMacro.h頭文件中，是基于一個(gè)2P/2Z傳遞函數(shù)：

PID離散化的表達(dá)式如下所示：

2P/2Z傳遞函數(shù)：

可見，PID只是2P/2Z的一個(gè)特例，A1=-1和A2=0
那么PID的系數(shù)就如下所示：
Coef2P2Z_1[0] = Dgain * 67108                            // B2
Coef2P2Z_1[1] = (Igain - Pgain - Dgain - Dgain)*67108      // B1
Coef2P2Z_1[2] = (Pgain + Igain + Dgain)*67108              // B0
Coef2P2Z_1[3] = 0; // A2
Coef2P2Z_1[4] = 67108864;                               // A1
Coef2P2Z_1[5] = Dmax[1] * 67108; // Clamp Hi limit (Q26)
Coef2P2Z_1[6] = 0x00000000; // Clamp Lo
用戶可以通過定義或者改變Pgain、Igain、Dgain、來實(shí)現(xiàn)控制算法的調(diào)節(jié)。為方便調(diào)試，在CCS中可以將上述的參數(shù)做成進(jìn)度條，通過滑動(dòng)進(jìn)度條的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)試。

軟件框架
軟件框架如圖4所示。

圖4 軟件框架

設(shè)計(jì)實(shí)例
設(shè)計(jì)實(shí)例如圖5所示，本設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

圖5 設(shè)計(jì)實(shí)例

● 采用子板加母板的連接方式
● 子板基于TMS320F28044控制器
● 母板載有10路典型BUCK電路，每路最大負(fù)載電流1A
● 任意一路電壓軟件可編程，編程范圍最大不超過5V
● 可動(dòng)態(tài)改變參考電壓
● 可動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)的PID參數(shù)，調(diào)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能
● 可配置成高精度PWM和普通PWM輸出兩種方式