《电子技术应用》

数字控制的开关电源设计

摘要: 目前数字处理(DSP)技术逐渐成熟,新一代DSP采用哈佛结构、流水线操作,即程序、数据存储器彼此独立,在每一时钟周期中完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作,从而大大减少指令执行周期。另外,由于其特有的寄存器结构,功能强大的寻址方式,灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力,使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大地提高,而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构设计和超强的运算能力,使得以前需要硬件才能实现的功能可移植到DSP中用软件实现,使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。

Abstract:

  引言

  在高功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正AC/DC" title="AC/DC">AC/DC电路中广泛采用UC3842、UC3855A等专用控制芯片来实现功率因数校正,而在移相" title="移相">移相全桥DC/DC" title="DC/DC">DC/DC电路中广泛采用TL494、UC3875等专用电源芯片来驱动开关管,特定的电源芯片本身不可编程、可控性较差、难以扩展以及不易升级维修,同时电源芯片为模拟控制芯片,具有模拟电路难以克服的由温漂和老化所引起的误差,无法保证系统始终具有高精度和可靠性,克服以上缺点可采用数字控制器DSP代替传统的模拟控制芯片。目前数字处理(DSP)技术逐渐成熟,新一代DSP采用哈佛结构、流水线操作,即程序、数据存储器彼此独立,在每一时钟周期中完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作,从而大大减少指令执行周期。另外,由于其特有的寄存器结构,功能强大的寻址方式,灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力,使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大地提高,而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构设计和超强的运算能力,使得以前需要硬件才能实现的功能可移植到DSP中用软件实现,使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。

  1 数字控制开关电源" title="开关电源">开关电源系统

  该通信开关电源主要由主电路和控制电路组成,主电路主要由单相高功率因数校正AC/DC变换电路和移相全桥软开关DC/DC变换电路组成,它包括单相交流输入电源、滤波网络、整流电路、Boost高功率因数校正电路和移相全桥变换电路。控制电路主要包括DSP数字控制器,它由DSP、驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路组成。系统主电路和控制电路原理框图如图1所示,图1中E表示输入电压及电感电流、输出电压及电流和主开关管漏极电压、采样电路;B表示功率开关驱动电路;F表示输出电压及电流、原边电感电流和4个开关管漏极电压采样电路。

  1.1 单相功率因数校正AC/DC变换电路

  单相功率因数校正AC/DC变换电路采用Boost型ZVT-PWM变换器,其电路图如图2所示。该电路能实现主开关管S的零电压开通和二极管D的零电流关断。

  1.2 移相全桥软开关DC/DC变换电路

  移相全桥软开关DC/DC变换电路采用如图3所示的全桥DC/DC变换器。

  1.3 基于DSP的硬件电路设计

  针对TMS320F2812为核心的数字控制电路如图4所示。从图4中可以看出,控制系统主要包括以下几部分:DSP及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路。

  其中,信号检测与调理电路主要完成对图2输入电流和电压采样、A/D等功能,DSP产生脉冲信号然后通过D/A转换后驱动图2,3的功率开关管。

  1.4 系统控制算法软件实现

  DSP数字控制能够实现较之模拟控制更为高级而且复杂的策略,与模拟控制电路相比较,数字控制电路拥有更多的优点:数字PID系统相对于模拟PID系统具有设计周期短、灵活多变易于实现模块化管理,能够消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。数字控制系统主程序图如5所示。主程序的作用:初始化,其中包括给控制寄存器赋初值,这时系统工作时钟开CAP1INT、CAP2INT中断,在等待中断的空闲时间内采集输出信号,设置ADC转换结束标志位为1.为保证程序的正常运行要禁止看门狗,设置PWM信号的频率和死区时间,设置通用定时器1和2的控制寄存器,设置捕获控制寄存器检测下降沿。

  2 实验结果及其分析

  设交流输入电压220V,输出电压为48V,输出功率为1000W,效率为95%,变换器工作频率为100kHz.

  2.1 单相功率因数校正AC/DC变换器升压电感计算

  Boost升压电感的计算必须是在最差的情况下得到,即输入最低电压,而输出满载的时候来确定,其输入电流:

  允许的纹波电流一般是取输入电流的20%,即:

  在最低线电压时最小占空比为:

  由电磁感应的基本公式推导出临界电感为:

  因此可取升压电感L=470H.

  2.2 移相全桥软开关变换器滤波输出电容计算

  选择输出电容时,电容的输出电压维持时间非常重要。当输入能量截止时,要求电容电压仍可维持在某特定范围内,输出滤波电容由以下公式计算:

  2.3 仿真结果及分析

  为了验证基于DSP控制数字开关电源设计的可行性和参数选择的正确性,利用Pspice软件对图1所示的系统进行仿真,仿真波形图如图6,7所示。图6为输入交流电压和电流仿真波形图,从图6中能清楚的看到输入电流很好跟随交流输入电压,实现了功率因数校正的目的。图7所示为输出电压仿真波形,从图7中可以看到输出为一条比较光滑的48V直流电压。仿真结果跟理论计算的结果完全符合,达到了预期的目的。

  2.4 试验结果及分析

  最后,设计了基于TMS320F2812的功率因数校正实验电路,实验结果如图8所示,该图为输入电压和输入电流波形,波形显示了输入电流很好的跟随了输入电压,达到了功率因数校正的目的。实验结果表明在通信开关电源中用数字控制器代替模拟控制器是可行的。

  3 结语

  数字开关电源相对模拟开关电源,具有不可比拟的优势,如减少电源的体积和重量,提高控制精度以及维修升级方便。

  随着控制理论与实施手段的不断完善以及DSP价格不断的降低,数字控制开关电源将成为今后一个重要的研究方向。

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