基于DSP的大功率數(shù)字開關電源設計

摘要：結合電力電子技術和嵌入式技術，設計了以全橋隔離式PWM變換器為核心，基于DSP處理器TMS320F2812的高精度大功率數(shù)字開關電源。完成了系統(tǒng)硬件電路設計及軟件數(shù)字PID算法，實現(xiàn)數(shù)字化采樣、運算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機接口等功能。
關鍵詞：數(shù)字開關電源；DSP；PWM；PID

0 引言
    隨著電力電子技術的高速發(fā)展，開關電源得到了廣泛應用，日新月異的高科技產品也對開關電源提出了更高的要求。傳統(tǒng)的基于模擬控制技術的開關電源發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但有其自身無法克服的缺點，數(shù)字開關電源技術的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)模擬控制技術的缺陷，為開關電源設計領域注入了新的活力。隨著數(shù)字控制方法、數(shù)字控制電路結構的發(fā)展和數(shù)字化開關電源市場需求的推動，數(shù)字化控制開關電源在電源領域里的優(yōu)勢越來越明顯。
     本文結合電力電子技術和嵌入式技術，設計了基于DSP處理器TMS320F2812的大功率數(shù)字開關電源，實現(xiàn)數(shù)字化采樣、運算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機接口等功能。該設計充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點，提高了開關電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)硬件電路設計
    本設計主要由輸入電網(wǎng)濾波、輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出濾波、DSP控制電路、驅動電路、電壓電流反饋電路、輔助黽源電路、人機接口電路等幾部分組成。該設計總體設計框圖如圖1所示：

    其基本原理是：交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到直流電壓，該直流電壓在DC-DC變換電路內部經(jīng)過高頻逆變、高頻變壓器隔離變換、整流等一系列變換后輸出直流電壓，最后再經(jīng)過輸出濾波電路，得到需要的高質量、高品質的直流電壓。
    輸入電網(wǎng)濾波、輸入整流濾波、輸出濾波電路、電壓電流反饋電路、輔助電源電路等部分的設計基本和傳統(tǒng)的模擬控制技術相同，本文不再介紹。人機接口電路主要實現(xiàn)檢測參數(shù)的反饋以及處理器基準電壓的實現(xiàn)，在本文也不做過多的介紹。本文主要介紹DSP控制電路、DC-DC變換電路、驅動電路的設計方法。
1．1 DSP控制電路
    本設計采用DSP處理器TMS320F2812為核心控制芯片。
    其工作原理：輸出電壓和電感電流通過反饋網(wǎng)絡，將反饋信號轉換為DSP所需要的電平，接至DSP的A／D轉換口，轉換后的信號與通過人機接口電路輸入的電壓基準信號一起經(jīng)過電壓電流調節(jié)器獲得實際的正弦調制信號，該正弦調制信號與DSP定時器產生的三角波載波信號相交截，輸出帶有一定死區(qū)的PWM控制信號，最后經(jīng)驅動單元送到IGBT。[!--empirenews.page--]
1．2 DC-DC變換電路
    全橋式變壓隔離器開關管承受最小的開關電壓和最小的開關電流，功率開關在非常安全的情況下運作。并且主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出，變壓器鐵芯和繞組得到最佳利用，使效率、功率密度得到提高，因此，本設計選用全橋隔離式PWM變換器。功率器件采用單管IGBT，IGBT屬于MOSFET和雙極型晶體管的復合器件，它具有MOSFET容易驅動的特點，還有雙極型晶體管電壓高、電流大的特點，非常適合應用于大功率開關電源電路。

    DC-DC變換電路如圖2所示。圖中每個IGBT旁均并聯(lián)有阻容吸收回路(RC)作為緩沖器，在IGBT瞬間斷開時，緩沖器元件RC將通過提供交流通道減少功率管斷開時的集電極電壓應力。
    工作原理如下：在圖2中，P1、P4和P2、P3分別構成全橋的兩臂，P1-P4的驅動信號分別為S1-S4，這4路驅動信號來自于驅動芯片KA101。當S1和P4信號來時，P1和P4導通，電流經(jīng)過P1進入變壓器原邊，再經(jīng)P4形成回路。當S2和P3信號來時，P2和P3導通，電流經(jīng)過P2進入變壓器原邊，再經(jīng)P3形成回路，但是電壓的極性與S1驅動的相反。這樣，直流電壓經(jīng)過變換電路變換以后，得到的為一高頻變化的交流電壓，完成了從DC到AC的變換。然后這一交流電壓再經(jīng)過高頻變壓器變壓和整流濾波電路整流濾波即可得到預期的穩(wěn)定直流電壓。
1．3 驅動電路
    由于TMS320F2812的PWM波驅動能力有限，而IGBT要求PWM波的驅動能力較強，所以在DSP和IGBT之間必須接相應的驅動電路，增加驅動功率，保證IGBT在最短時間內開通與關斷。該驅動電路主要完成2個功能：一是將弱電控制回路與大功率強電主回路實現(xiàn)電氣隔離：二是通過驅動電路提供IGBT開關所需的電壓和電流。
    本設計采用北京落木源電子技術有限公司生產的光耦隔離驅動芯片KA101來對IGBT進行驅動。該器件保護功能完善、工作頻率較高、用戶可調參數(shù)多、價格便宜，并能與多種其他類型的驅動器兼容。DSP產生的PWM信號從驅動芯片KA101的1、2引腳輸入，通過驅動芯片內部控制變換，最終從17、18引腳輸出驅動信號接到IGBT的柵極，控制開關器件的通斷。

2 數(shù)字PID算法的實現(xiàn)
    數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù)域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。還有一些改進算法如積分分離法，遇限削弱積分法，不完全微分法，
微分先行法和帶死區(qū)的PID控制算法等。
    本設計中，有一個預設的基準電壓，而且為了節(jié)省存儲空間所以選用增量型PID控制算法實現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據(jù)推理原理可得增量型PID算法。
   
    由于計算機輸出增量，所以對誤動作影響小，如果必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，而且增量控制不易產生積分失控，容易獲得較好的調節(jié)品質。

3 結束語
    本文設計了以全橋隔離式PWM變換器為核心，基于DSP的大功率數(shù)字開關電源。該設計充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點，提高了開關電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。可以相信，隨著數(shù)字技術的發(fā)展，應用速度更快、精度更高、體積更小、更加可靠、操作更靈活的DSP處理芯片將會更多的應用到數(shù)字開關電源中，數(shù)字開關電源也將在相關行業(yè)中得到越來越廣泛的應用。