基于DSP的大功率數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合電力電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)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(guān)電源。完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件數(shù)字PID算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣、運(yùn)算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機(jī)接口等功能。
關(guān)鍵詞：數(shù)字開關(guān)電源；DSP；PWM；PID

0 引言
    隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用，日新月異的高科技產(chǎn)品也對(duì)開關(guān)電源提出了更高的要求。傳統(tǒng)的基于模擬控制技術(shù)的開關(guān)電源發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但有其自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)，數(shù)字開關(guān)電源技術(shù)的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)模擬控制技術(shù)的缺陷，為開關(guān)電源設(shè)計(jì)領(lǐng)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(jié)構(gòu)的發(fā)展和數(shù)字化開關(guān)電源市場(chǎng)需求的推動(dòng)，數(shù)字化控制開關(guān)電源在電源領(lǐng)域里的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。
     本文結(jié)合電力電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于DSP處理器TMS320F2812的大功率數(shù)字開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣、運(yùn)算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機(jī)接口等功能。該設(shè)計(jì)充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點(diǎn)，提高了開關(guān)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(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電路、電壓電流反饋電路、輔助黽源電路、人機(jī)接口電路等幾部分組成。該設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)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(nèi)部經(jīng)過(guò)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(guò)輸出濾波電路，得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)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(shè)計(jì)基本和傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)相同，本文不再介紹。人機(jī)接口電路主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)的反饋以及處理器基準(zhǔn)電壓的實(shí)現(xiàn)，在本文也不做過(guò)多的介紹。本文主要介紹DSP控制電路、DC-DC變換電路、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。
1．1 DSP控制電路
    本設(shè)計(jì)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(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)，將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP所需要的電平，接至DSP的A／D轉(zhuǎn)換口，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)與通過(guò)人機(jī)接口電路輸入的電壓基準(zhǔn)信號(hào)一起經(jīng)過(guò)電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實(shí)際的正弦調(diào)制信號(hào)，該正弦調(diào)制信號(hào)與DSP定時(shí)器產(chǎn)生的三角波載波信號(hào)相交截，輸出帶有一定死區(qū)的PWM控制信號(hào)，最后經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(guān)管承受最小的開關(guān)電壓和最小的開關(guān)電流，功率開關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。并且主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)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(shè)計(jì)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(fù)合器件，它具有MOSFET容易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，還有雙極型晶體管電壓高、電流大的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于大功率開關(guān)電源電路。

    DC-DC變換電路如圖2所示。圖中每個(gè)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(shí)，緩沖器元件RC將通過(guò)提供交流通道減少功率管斷開時(shí)的集電極電壓應(yīng)力。
    工作原理如下：在圖2中，P1、P4和P2、P3分別構(gòu)成全橋的兩臂，P1-P4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為S1-S4，這4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自于驅(qū)動(dòng)芯片KA101。當(dāng)S1和P4信號(hào)來(lái)時(shí)，P1和P4導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)P1進(jìn)入變壓器原邊，再經(jīng)P4形成回路。當(dāng)S2和P3信號(hào)來(lái)時(shí)，P2和P3導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)P2進(jìn)入變壓器原邊，再經(jīng)P3形成回路，但是電壓的極性與S1驅(qū)動(dòng)的相反。這樣，直流電壓經(jīng)過(guò)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(guò)高頻變壓器變壓和整流濾波電路整流濾波即可得到預(yù)期的穩(wěn)定直流電壓。
1．3 驅(qū)動(dòng)電路
    由于TMS320F2812的PWM波驅(qū)動(dòng)能力有限，而IGBT要求PWM波的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，所以在DSP和IGBT之間必須接相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，增加驅(qū)動(dòng)功率，保證IGBT在最短時(shí)間內(nèi)開通與關(guān)斷。該驅(qū)動(dòng)電路主要完成2個(gè)功能：一是將弱電控制回路與大功率強(qiáng)電主回路實(shí)現(xiàn)電氣隔離：二是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路提供IGBT開關(guān)所需的電壓和電流。
    本設(shè)計(jì)采用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的光耦隔離驅(qū)動(dòng)芯片KA101來(lái)對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該器件保護(hù)功能完善、工作頻率較高、用戶可調(diào)參數(shù)多、價(jià)格便宜，并能與多種其他類型的驅(qū)動(dòng)器兼容。DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)從驅(qū)動(dòng)芯片KA101的1、2引腳輸入，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部控制變換，最終從17、18引腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)接到IGBT的柵極，控制開關(guān)器件的通斷。

2 數(shù)字PID算法的實(shí)現(xiàn)
    數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)中，有一個(gè)預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)電壓，而且為了節(jié)省存儲(chǔ)空間所以選用增量型PID控制算法實(shí)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(jì)算機(jī)輸出增量，所以對(duì)誤動(dòng)作影響小，如果必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，而且增量控制不易產(chǎn)生積分失控，容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)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(guān)電源。該設(shè)計(jì)充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點(diǎn)，提高了開關(guān)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(shù)的發(fā)展，應(yīng)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(huì)更多的應(yīng)用到數(shù)字開關(guān)電源中，數(shù)字開關(guān)電源也將在相關(guān)行業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。