基于數(shù)字化控制的開關(guān)電源的研究

0 引言
    開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能型電源。傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用模擬控制技術(shù)，使用比較器、誤差放大器和模擬調(diào)變器等元器件來調(diào)整電源輸出電壓。模擬控制方法只適用于頻率高、電力小、功能少的開關(guān)電源，且存在控制電路復(fù)雜、元器件多以及控制電路一旦成型很難修改等缺點，不利于開關(guān)電源的集成化和小型化。開關(guān)電源的數(shù)字化控制技術(shù)能夠較好地解決這些問題。本文介紹了開關(guān)電源的數(shù)字化控制技術(shù)，并給出了基于單片機控制和基于DSP控制開關(guān)電源的兩種模型，分析和比較了兩者的優(yōu)缺點以及應(yīng)用場合，現(xiàn)在介紹如下。

1 開關(guān)電源模擬控制和數(shù)字控制的比較

1．1開關(guān)電源模擬控制的種類與特點

    開關(guān)電源的模擬控制方法已經(jīng)使用了數(shù)十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3種：脈沖寬度調(diào)制方式PWM、脈沖頻率調(diào)制方式PFM和昆合調(diào)制方式。

    圖1為脈寬調(diào)制式（PWM）開關(guān)電源，AC220V輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變成直流電壓U，再由功率開關(guān)管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過輸出整流濾波器VD、C2，獲得所需要的直流輸出電壓U0。利用誤差放大器和PWM比較器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種模擬控制電路因為使用元器件多而需要很大空間，這些元器件本身的值還會隨著使用時間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動，并對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負(fù)面影響，不利于模擬系統(tǒng)的測試和維修。另外，模擬控制的控制響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的，因此無法為所有電源值或負(fù)載點提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。[!--empirenews.page--]

1．2開關(guān)電源數(shù)字控制的特點與應(yīng)用

    所謂電源的數(shù)字控制，也稱為“回路內(nèi)部的處理器”，是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。它必須對兩個數(shù)字串進行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來驅(qū)動電源開關(guān)，而不是使用傳統(tǒng)模擬PWM比較器。它會將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在數(shù)字域利用這些數(shù)據(jù)計算控制響應(yīng)，然后將新產(chǎn)生的控制信息加傳至系統(tǒng)。

數(shù)字控制電源系統(tǒng)有以下特點：

    （1）以數(shù)字信號處理器DSP或單片機為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動器及PWM控制器作為控制對象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。

    （2）采用“整合數(shù)字電源”技術(shù)，實現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。

    （3）高集成度，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化，將大量的分立元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

    （4）能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設(shè)計的數(shù)字電源達到高技術(shù)指標(biāo)。

    這種技術(shù)可用于負(fù)載時間恒定的應(yīng)用中，使電源運行在高頻狀態(tài)，如功率因數(shù)校正、非中斷電源、多個化學(xué)電池譯電和電機控制；還可用于采用若干可配置的PWM內(nèi)核及控制、診斷和接口電路的手機以及PDA的PMU等其他應(yīng)用。運行時間控制電路中的子電路或外設(shè)可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運行電壓，以節(jié)能。數(shù)字電源控制可使調(diào)節(jié)器更加靈敏。

  2 基于數(shù)字控制技術(shù)開關(guān)電源的方案

結(jié)合當(dāng)前的數(shù)字控制技術(shù)和流行的電源管理模式，我們提出了以下兩種方案。

2．1基于單片機控制的開關(guān)電源

    隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和超大規(guī)模集成電路設(shè)計的進一步提高，單片機技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、電力電子、汽車電子、機電一體化等方面得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的成果。利用單片機作為控制核心，設(shè)計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低。該方案采用單片機通過外接A／D轉(zhuǎn)換芯片進行采樣，采樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過D／A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實現(xiàn)單片機對開關(guān)電源的間接控制。其原理結(jié)構(gòu)如圖2

    其中：單片機采用MCS51；A／D轉(zhuǎn)換器采用TLC2543芯片，該芯片的接口方式采用串口，這種方式相對于并口方式，具有接口簡單，便于擴展，體積小的特點。TLC2543的接口是典型的SPI接口，它與MCS51單片機相連接時，其硬件電路非常簡單。但由于MCS51沒有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，只能在程序中模仿SPI的操作方式對TLC2543進行操作，因而程序要復(fù)雜一些。D／A轉(zhuǎn)換器采用TLC5615芯片與MCS51連接，同樣接口也采用串行方式?！翱撮T狗”（Watchdog）為單片機提供上電復(fù)位信號，當(dāng)程序紊亂或電壓失常時啟動內(nèi)部的“看門狗”電路強迫單片機復(fù)位，使程序從頭開始工作；具有512字節(jié)的EPROM存儲單元，用來存放各種重要數(shù)據(jù)，以備交流后重要數(shù)據(jù)丟失；外接有串口，通過電平轉(zhuǎn)換連接RS-485或者RS-232，實現(xiàn)了開關(guān)電源與上位機的信號傳輸；LCD、鍵盤接口電路實現(xiàn)了人機交換。[!--empirenews.page--]

    基于單片機的數(shù)字電源這種方法，雖然控制電路比較復(fù)雜，并且存在一定的延時，對電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度有一定影響，但由于該方法對于單片機的要求不高，成本也比較低，設(shè)計方法容易掌握，因此可以在穩(wěn)壓精度和動態(tài)性能要求并不是很高的場合下使用。

2．2基于數(shù)字信號處理控制的開關(guān)電源

    利用高性能的DSP數(shù)字芯片對電源實現(xiàn)直接控制，可以簡化控制電路的設(shè)計，再加上這些芯片有比較高的采樣速度（TMS320LF2407內(nèi)部的10、位A／D轉(zhuǎn)換器完成一次A／D轉(zhuǎn)換只需500ns）和運算速度，可以快速有效地實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法I。基于DSP控制的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)如圖3。

    其中：DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要進行數(shù)字PID計算；復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD根據(jù)DSP計算的結(jié)果生成數(shù)字PWM波形控制主功率變換器，這樣避免了模擬PWM控制器中的雙脈沖現(xiàn)象和半頻現(xiàn)象，實現(xiàn)了PWM控制的完全數(shù)字化；AID轉(zhuǎn)換電路用作電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集，芯片可采用TLC5540芯片，也可采用TLC2543芯片，通過此AID轉(zhuǎn)換電路采集的電壓等信號，經(jīng)數(shù)據(jù)總線低八位進入DSP，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號進行比較，當(dāng)檢測到輸出電壓幅度高于標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號時，按比例降低占空比，從而實現(xiàn)對開關(guān)電源輸出正弦波和幅度的調(diào)DSP通過接口電路還可以擴展LCD、鍵盤進行人機交換以及通過串口RS-485或RS一232進行數(shù)據(jù)的通信等。

    這種基于信號處理數(shù)字的開關(guān)電源，雖然DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高，而且DSP控制技術(shù)相對較難掌握，但由于芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度，因此，這種方式將會在今后開關(guān)電源的數(shù)字控制技術(shù)中發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)束語

    開關(guān)電源采用全數(shù)字化控制技術(shù)，可以有效地縮小電源體積，降低成本，大大提高了設(shè)備的可靠性和對用戶的適應(yīng)性，是今后開關(guān)電源發(fā)展的一種趨勢。目前，在通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好地應(yīng)用。該文給出的基于數(shù)字控制技術(shù)開關(guān)電源的兩種方案，適用于不同的環(huán)境，我們可以根據(jù)采樣速度、運算速度和控制算法復(fù)雜度等因素選擇不同的方案。