DSP的大功率开关电源的设计方案

DSP的大功率开关电源的设计方案

引 言:
信息时代离不开电子设备，随着电子技术的高速发展，电子设备的种类与日俱增，与人们的工作、生活的关系也日益密切。任何电子设备又都离不开可靠的供电电源，它们对电源供电质量的要求也越来越高。
目前，开关电源开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。与之相应，在微电子技术发展的带动下，DSPDSP芯片的发展日新月异，因此基于DSP芯片的开关电源拥有着广阔的前景，也是开关电源今后的发展趋势。
1 .电源的总体方案
本文所设计的开关电源的基本组成原理框图，主要由功率主电路、DSP控制回路以及其它辅助电路组成。
开关电源的主要优点在“高频”上。通常滤波电感、电容和变压器在电源装置的体积和重量中占很大比例。从“电路”和“电机学”的有关知识可知，提高开关频率可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效地降低电源装置的体积和重量。以带有铁芯的变压器为例，分析如下：


图1 系统组成框图
设铁芯中的磁通按正弦规律变化，即φ= φMsinωt，则：


式中，EM= ωWφ M=2πfWφM，在正弦情况下，EM=√2E，φM=BMS，故：


式中，f为铁芯电路的电源频率;W 为铁芯电路线圈匝数;BM为铁芯的磁感应强度;S为铁芯线圈截面积。
从公式可以看出电源频率越高，铁芯截面积可以设计得越小，如果能把频率从50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍，则变压器所需截面积可以缩小一千倍，这样可以大大减小电源的体积。
综合电源的体积、开关损耗以及系统抗干扰能力等多方面因素的考虑，本开关电源的开关频率设定为30 kHZ。
2 系统的硬件设计
2.1 功率主电路
本电源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”变换的结构，主要由输入电网EMI滤波器、输人整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路等几部分组成，。


图2 功率主电路原理图其基本工作原理是：交流输入电压经EMI滤波、整流滤波后得到直流电压，通过高频逆变器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将高频变压器输出的高频交流电压整流滤波后得到所需要的高质量、高品质的直流电压。为交流输入电压到最后输出

所需直流电压的各环节电压波形变换流程。




图3 功军主回路的电压波形变化
本开关电源采用半桥式功率逆变电路。，输入市电经EMI滤波器滤波，大大减少了交流电源输入的电磁干扰，并同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。再经过桥式整流电路、滤波电路变成直流电压加在P、N两点问。P、N之间接人一个小容量、高耐压的无感电容，起到高频滤波的作用。半桥式功率变换电路与全桥式功率变换电路类似，只是其中两个功率开关器件改由两个容量相等的电容CA1和CA2代替。在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程度，CA1和CA2往往采用的是由多个等值电容并联组成的电容组。C A1、CA2 的容量选值应在电源体积和重量允许的条件下尽可能的大，以减小输出电压的纹波系数和低频振荡。CA1 和CA2 在这里同时起到了静态时分压的作用，使Ua =Uin/2。
在本电源的设计中，采用IGBT来作为功率开关器件。它既具有MOSFET的通断速度快、输入阻抗高、驱动电路简单及驱动功率小等优点，又具有GTR的容量大和阻断电压高的优点。
在IGBT的集射极间并接RC吸收网络，降低开关应力，减小IGBT关断产生的尖峰电压;并联二极管DQ实现续流的作用。二次整流采用全波整流电路，通过后续的LC滤波电路，消除高频纹波，减小输出直流电压的低频振荡。LC滤波电路中的电容由多个高耐压、大容量的电容并联组成，以提高电源的可靠性，使输出直流电压更加平稳。
2.2 控制电路
控制电路部分实际上是一个实时检测和控制系统，包括对开关电源输出端电压、电流和IGBT温度的检测，对收集信息的分析和运算处理，对电源工作参数的设置和显示等。其控制过程主要是通过采集开关电源的相关参数，送入DSP芯片进行预定的分析和计算，得出相应的控制数据，通过改变输出PWM波的占空比，送到逆变桥开关器件的控制端，从而控制输出电压和电流。
控制电路主要包括DSP控制器最小系统、驱动电路、辅助电源电路、采样电路和保护电路。
(1)DSP控制器最小系统
DSP控制器是其中控制电路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片，它是美国TEXAS INSTU—MENTS(TI)公司的最新成员。TMS30LF2407A基于C2xLP内核，和以前C2xx系列成员相比，该芯片具有处理性能更好(30MIPS)、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品，特别适用于电机以及逆变器的控制。DSP控制器最小系统包括时钟电路、复位电路以及键盘显示电路。时钟电路通过15 MHz的外接晶振提供;复位电路直接通过开关按键复位;由4×4的矩阵式键盘

和SPRT12864M LCD构成了电源系统的人机交换界面。
(2)驱动放大电路
IGBT的驱动电路采用脉冲变压器和TC4422组成，其电路原理图：


图4 IGBT驱动电路原理图由于TMS320LF2407A的驱动功率较小，不能胜任驱动开关管稳定工作的要求，因此需要加上驱动放大电路，以增大驱动电流功率，提高电源系统的可靠性。，采用两片TCA422组成驱动放大电路。

TC4421/4422是Microchip公司生产的9A高速MOsFET/IGBT驱动器，其中TC4421是反向输出，TC4422是同向输出，输出级均为图腾柱结构。
TC4421/4422具有以下特点：
①输出峰值电流大：9 A;
② 电源范围宽：4.5 V～18 V;
③连续输出电流大：最大2 A;
④快速的上升时间和下降时间：30 ns(负载4700pF)，180 ns(负载47000 pF);
⑤传输延迟时间短：30 ns(典型);
⑥供电电流小：逻辑“1”输入～200μA(典型)，逻辑“0”输入～55 μA(典型);
⑦输出阻抗低：1.4 Ω(典型);
⑧闭锁保护：可承受1.5 A的输出反向电流;
⑨输入端可承受高达5 V的反向电压;
⑩能够由TTL或CMOS电平(3 V～18 V)直接驱动，并且输人端采用有300 mV滞回的施密特触发电路。
当TMS320LF2407A输出的PWM1为高电平，PWM2为低电平时，经过TCA422驱动放大后输出，在脉冲变压器一次侧所流过的电流从PWMA流向PWMB，，电压方向为上正下负。
根据变压器的同名端和接线方式，则开关管Q1的栅极电压为正，Q2的栅极电压为负。因此，此时是驱动QM1导通。反之若是PWM1为高电平，PWM2为低电平时，则是驱动Q2导通。四只二极管DQ1 ～DQ2的作用是消除反电动势对TCA422的影响。
(3)辅助电源电路
本开关电源电路设计过程中所需要的几路工作电源如下：
① TMS320LF2407 DSP所需电源：I/O 电源(3.3 V)，PLL(PHSAELOCKED LOOP)电源(3.3 V)，FIASH编程电压(5 V)，模拟电路电源电压(3.3 V);②TCA422芯片所需电源：电源端电压范围4.5～18 V(选择15 V);③采样电路中所用运算放大器的工作电源为15 V。
因此，整个控制电路需要提供15 V、5 V和3.3 V三种制式的电压。设计中选用深圳安时捷公司的HAw 5-220524 AC/DC模块将220 V、50 Hz的交流电转换成24 V直流电，然后采用三端稳压器7815和7805获得15 V和5 V的电压。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通过TPS7333QD电压芯片得到。
4)采样电路
电压采样电路由三端稳压器TL431和光电耦合器PC817之问的配合来构成。电路设计，TL431与PC817一次侧的LED串联，TL431阴极流过的电流就是LED的电流。输出电压Ud经分压网络后到参考电压UR与TL431中的2.5 V基准电压Uref进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流 If

发生变化，再通过光耦将变化的电流信号转换为电压信号送人LF2407A的ADCIN00引脚。


图5 电压采样电路原理图由于TMS320LF2407A的工作电压为3.3 V，因此输入DSP的模拟信号也不能超过3.3 V。为防止输入信号电压过高造成A/D输入通道的硬件损坏，我们对每一路A/D通道设计了保护电路，，Cu2，CU3 起滤波作用，可以将系统不需要的高频和低频噪声滤除掉，提高系统信号处理的精度和稳定性。

另外，采用稳压管限制输入电压幅值，同时输入电压通过二极管与3.3 V电源相连，以吸收瞬间的电压尖峰。
当电压超过3.3 V时，二极管导通，电压尖峰的能量被与电源并联的众多滤波电容和去耦电容吸收。并联电阻Ru4的目的是给TL431提供偏置电流，保证TL431至少有1 mA的电流流过。Cu1 和RU3作为反馈网络的补偿元件，用以优化系统的频率特性。
电流采样的原理与电压采样类似，只是在电路中要通过电流传感器将电流信号转换为电压信号，然后再进行采集。
(5)保护电路
为保证系统中功率转换电路及逆变电路能安全可靠工作，TMs320LF2407A提供了
输入信号，利用它可以方便的实现逆变系统的各种保护功能，具体实现框图：



图6 保护电路结构框图
各种故障信号经或门CD4075B综合后，经光电隔离、反相及电平转换后输入到
引脚，有任何故障时，CD4075B输出高电平，
引脚相应被拉为低电平，此时DSP所有PWM输出管脚全部呈现高阻状态，即封锁PWM输出。整个过程不需要程序干预，由硬件实现。这对实现各种故障信号的快速处理非常有用。在故障发生后，只有在人为干预消除故障，重启系统后才能继续工作。

3 系统的软件实现
为了构建DSP控制器软件框架，使程序易于编写、查错、测试、维护、修改、更新和扩充，在软件设计中采用了模块化设计，将整个软件划分为初始化模块、ADC信号采集模块、PID运算处理模块、PWM波生成模块、液晶显示模块以及按键扫描模块。各模块问的流程。


图7 软件模块流程图
3.1 初始化模块
系统初始化子程序是系统上电后首先执行的一段代码，其功能是保证主程序能够按照预定的方式正确执行。系统的初始化包括所有DSP的基本输入输出单元的初始设置、LCD初始化和外扩单元的检测等。
3.2 ADC采样模块
TMS320LF2407A芯片内部集成了10位精度的带内置采样/保持的模数转换模块(ADC)。根据系统的技术要求，10位ADC的精度可以满足电压的分辨率、电流的分辨率的控制要求，因此本设计直接利用DSP芯片内部集成的ADC就可满足控制精度。另外，该10位ADC是高速ADC，

最小转换时间可达到500 ns，也满足控制对采样周期要求。
ADC采样模块首先对ADC进行初始化，确定ADC通道的级联方式，采样时间窗口预定标，转换时钟预定标等。然后启动ADC采样，定义三个数组依次存放电压、电流和温度的采样结果，对每一个信号采样8次，经过移位还原后存储到相应的数组中，共得到3组数据。如果预定的ADC中断发生，则转人中断服务程序，对采样的数据进行分析、处理和传输。以电压采样为例，其具体的流程图。


图8 电压采样程序流程图
3.3 PID运算模块
本系统借助DSP强大的运算功能，通过编程实现了软件PID调节。由于本系统软件中采用的是增量式PID算法，因此需要得到控制量的增量△un ，式(3)为增量式PID算法的离散化形式：



开关电源在进入稳态后，偏差是很小的。如果偏差e在一个很小的范围内波动，控制器对这样微小的偏差计算后，将会输出一个微小的控制量，使输出的控制值在一个很小的范围内，不断改变自己的方向，频繁动作，发生振荡，这既影响输出控制器，也对负载不利。
为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的系统振荡，在PID算法的设计中设定了一个输出允许带eo。当采集到的偏差|en|≤eo时，不改变控制量，使充电过程能够稳定地进行;只有当|en| >eo 时才对输出控制量进行调节。PID控制模块的程序流程：


图9 PID运算程序流程图
3.4 PWM 生成模块
TMS320LF2407A内部包括两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器GP、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。通过TMS320LF2407A事件管理模块中的比较单元可以产生带死区的PWM波，与PWM 波产生相关的寄存器有：比较寄存器CMPRx、定时器周期寄存器Tx—PR、定时器控制寄存器TxCON、定时器增/减计数器TxCNT、比较控制寄存器COMCONA/B、死区控制寄存器DBTCONA/B。
PWM波的生成需对TMS320LF2407A的事件管理模块中的寄存器进行配置。由于选用的是PWM1/2，因此配置事件管理寄存器组A，根据需要生成带死区PWM波的设置步骤为：
(1)设置并装载比较方式寄存器ACTRA，即设置PWM波的输出方式;
(2)设置T1CON寄存器，设定定时器1工作模式，使能比较操作;
(3)设置并装载定时器1周期寄存器T1PR，即规定PWM 波形的周期;
(4)定义CMPR1寄存器，它决定了输出PWM 波的占空比，CMPR1中的值是通过计算采样值而得到的;
(5)设置比较控制寄存器COMCONA，使能PD—PINTA 中断;
(6)设置并装载死区寄存器DBTCONA，即设置死区时间。


图10所示为带死区PWM波的生成

原理
3.5 键盘扫描及LCD显示模块按键扫描执行模块的作用是判断用户的输入，对不同的输入做出相应的响应。本开关电源设计采用16个压电式按键组成的矩阵式键盘构成系统的输入界面。16个按键的矩阵式键盘需要DSP的8个I/O口，这里选用IOPA0～IOPA3作为行线，IOPF0～IOPF3作为列线。由于TMS320LF2407A都是复用的I/O口，因此需要对MCRA和MCRC寄存器进行设置使上述8个I/O口作为一般I/O端口使用。按键扫描执行模块采用的是中断扫描的方式，只有在键盘有键按下时才会通过外部引脚产生中断申请，DSP相应中断，进人中断服务程序进行键盘扫描并作相应的处理。

LCD显示模块需要DSP提供11个I/O口进行控制，包括8位数据线和3位控制线，数据线选用IOPB0～IOPB7，控制线选用IOPFO IOPF2，通过对PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的设置实现DSP与LCD的数据传输，实时显示开关电源的运行状态。
4 样机研制
主要技术指标如下：输入电压：三相AC380 V±5% ;输出电压：DC220V±2% ;输出电流：50 A;额定功率：11 kW。
所得试验样机额定负载时的输出波形。由图11(a)实际读数可知，输出电压从0上升到220 V的响应时间为1s左右，电源系统具有较快的响应速度。同时，由图11(b)中的电压波形局部放大图可见，输出电压为220 V时，电压波动在2 V左右，其最大电压波动小于1%。


图11 样机额定负载时的输出波形
5 结论：
本文介绍的基于DSP的大功率大功率高频开关电源，充分发挥了DSP强大功能，可以对开关电源进行多方面控制，并且能够简化器件，降低成本，减少功耗，提高设备的可靠性。试验数据表明指标满足设计要求，本电源均能够保持良好的输出性能。