基于CPLD的軟開關(guān)電源數(shù)字控制器設(shè)計

1 引言

近年來，隨著大功率開關(guān)電源的發(fā)展，對控制器的要求越來越高，開關(guān)電源的數(shù)字化和智能化也將成為未來的發(fā)展方向。

目前，我國的大功率開關(guān)電源多采用傳統(tǒng)的 模擬控制方式，電路復雜，可靠性差。因此，采用集成度高、集成功能強大的數(shù)字控制器設(shè)計開關(guān)電源控制器，來適應(yīng)不斷提高的開關(guān)電源輸出可編程控制、數(shù)據(jù)通訊、智能化控制等要求。

2.數(shù)字控制器設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)字控制器，采用TI公司24X系列DSP控制器中的TMS320LF2407A芯片作為主控制器，主要功能模塊包括：(1)DSP與可編程邏 輯器件CPLD相配合實現(xiàn)全橋移相諧振軟開關(guān)驅(qū)動(2)偏磁檢測電路;(3)其他功能，如數(shù)據(jù)采集、保護及外部接口等。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1移相控制波形的生成

TMS320LF2407A芯片包含兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器都包括兩個通用定時器，通用定時器GPT1和GPT2對應(yīng)于事件管理器EVA，GPT1和GPT2對應(yīng)于事件管理器EVB，通用定時器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通用定時器是PWM波形產(chǎn)生的基礎(chǔ)，每個通用定時器都可以提供一路單獨的PWM輸出通道。獲得指定周期指定脈寬的PWM信號的過程是：首先設(shè)置通用定時器控制寄存器TxCON確定計數(shù)器的計數(shù)模式和時鐘源;然后根據(jù)需要的PWM波形周期設(shè)置周期寄存器TxPR;接著裝載比較寄存器TxCMPR，確定 PWM 波形的占空比。通過上述相應(yīng)的設(shè)置即可獲得指定周期、指定脈寬的PWM信號。

而輸出移相波形的關(guān)鍵是讓同一事件管理器中的兩個通用定時器同步工作，并且在一個通用定時器從零開始計數(shù)的時刻，賦予另一個通用定時器計數(shù)器不同的初值，初值的大小決定兩個通用定時器輸出PWM波形的相位關(guān)系。本文利用事件管理器EVA的兩個通用定時器GPT1和GPT2的同步工作，產(chǎn)生移相波形。

為了避免因開關(guān)器件特別是IGBT器件在關(guān)斷時電流拖尾造成橋臂瞬時直通所造成的危害，還需要在同側(cè)橋臂的開關(guān)器件控制波形中添加死區(qū)。因為PLD 具有可 在線修改能力，可在PCB電路完成后隨時修改設(shè)計，而不必改動硬件電路，因此本文采用ALTERA公司的EPM7000S系列的CPLD芯片，通過編程生成控制波形的死區(qū)。如圖3所示。

2.2磁偏檢測電路

在全橋電路中，一對功率開關(guān)管在工作周期的前半部分和后半部分交替地通斷，若它們的飽和壓降相等，導通脈寬也一樣，則稱電路工作在平衡狀態(tài)。但若由于某種原因?qū)е聝蓚€半周期內(nèi)施加在中頻變壓器上的電壓不相等(例如功率開關(guān)管的飽和壓降有較大差異)或是一對晶體管的導通脈寬不相等(例如由于存儲時間的不一 致、控制電路輸出脈寬不相等以及反饋回路引起的不對稱等)時，功率轉(zhuǎn)換電路就工作在不平衡狀態(tài)。變壓器的磁通在一個周期終了時不能返回到起始點，于是將在 一個方向增大，其工作區(qū)域?qū)⑵蛞粋€象限，引起磁芯飽和從而導致功率開關(guān)管損壞，逆變失敗，此即所謂“單向偏磁”。

為了避免變壓器的飽和，充分發(fā)揮數(shù)字控制器的優(yōu)勢，盡量簡化主電路的設(shè)計，增加變壓器的利用率，本文設(shè)計中采取以下方法來進行磁偏的檢測和控制。如圖4所 示，通過互感器分別檢測變壓器的一次側(cè)正負半周的電流大小，將檢測得到的值HCQ1和HCQ2進行比較，一旦某個半周的電流偏大超過一定的值，則認為出現(xiàn) 了偏磁，將該信號送入TMS320LF2407A的捕獲單元功能，產(chǎn)生捕獲中斷并通過中斷程序去調(diào)整相應(yīng)橋臂的功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖的寬度，強制對變壓器進行磁恢復，防止變壓器飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3數(shù)據(jù)采樣及濾波

為了確保控制板與系統(tǒng)主電路的信號隔離，數(shù)據(jù)采樣電路上采用與霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器接口，確保采樣輸入電路的信號與采樣輸出信號的完全隔離。

TMS320LF2407A芯片內(nèi)部集成了10位精度的帶內(nèi)置采樣/保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)。根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，10位ADC的精度可以滿足電壓的分辨率、電流的分辨率的控制要求，因此本文直接利用控制芯片內(nèi)部集成的ADC，就可滿足控制精度。另外，該10位ADC是高速ADC, 最小轉(zhuǎn)換時間可達到500 ns，也滿足控制對采樣周期要求。

為了提高ADC數(shù)字采樣的精度，減少軟件濾波的工作量，設(shè)計了低通濾波器對電壓和電流的信號進行處理，以消除高頻信號的干擾和更好的消除線路以及空間的干擾。

2.4保護功能

電源運行過程中，可能會發(fā)生一些異常狀態(tài)，如全橋電路出現(xiàn)直通使得原邊母線短路;副邊負載短路或者過流、散熱器過熱等等，需要在控制中加以保護。

在本文設(shè)計中，利用了DSP 功率保護引腳PDPINT的功能對異常狀態(tài)進行檢測并能夠做到及時恰當處理，做到系統(tǒng)的安全可靠運行。

保護電路采用窗口比較電路，分別檢測功率開關(guān)管的過流信號，輸出的短路信號和散熱器的過熱信號。設(shè)定保護的閥值，一旦出現(xiàn)任何異常，就可以立刻將保護信號送入DSP 功率保護引腳PDPINT或者外部中斷信號IOPE-2，通知控制系統(tǒng)并采取相應(yīng)的措施：對于原邊的短路以及副邊的短路采用不可恢復的保護方式，立刻關(guān)閉 PWM驅(qū)動信號，切斷電源的輸入，以防止其它更嚴重的危險發(fā)生;對于散熱器過熱等可恢復的保護信號，則暫時關(guān)閉PWM輸出，等狀態(tài)恢復后再重新恢復工作。