基于DSP和CPLD的移相全橋軟開關(guān)電源數(shù)字控制器

摘要：隨著大功率開關(guān)電源的發(fā)展，對(duì)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。本文介紹了一種基于DSP和CPLD的移相全橋諧振軟開關(guān)數(shù)字控制器，應(yīng)用于開關(guān)電源的數(shù)字化智能控制。該數(shù)字控制器采用DSP（TMS320LF2407A）作為主控制器芯片，配合CPLD移相波形死區(qū)生成技術(shù)，具有功率器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)，外部通訊（CAN總線，RS232）和外部設(shè)備控制功能，實(shí)現(xiàn)了可編程控制、數(shù)據(jù)通訊、智能化控制等功能，具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：DSP  CPLD   數(shù)字控制器 

1 引言

    近年來，隨著大功率開關(guān)電源的發(fā)展，對(duì)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(fù)雜，可靠性差。因此，采用集成度高、集成功能強(qiáng)大的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)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(jì)

圖1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)全橋移相諧振軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)（2）偏磁檢測(cè)電路；（3）其他功能，如數(shù)據(jù)采集、保護(hù)及外部接口等?？刂葡到y(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(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)事件管理器都包括兩個(gè)通用定時(shí)器，通用定時(shí)器GPT1和GPT2對(duì)應(yīng)于事件管理器EVA，GPT1和GPT2對(duì)應(yīng)于事件管理器EVB，通用定時(shí)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    通用定時(shí)器是PWM波形產(chǎn)生的基礎(chǔ)，每個(gè)通用定時(shí)器都可以提供一路單獨(dú)的PWM輸出通道。獲得指定周期指定脈寬的PWM信號(hào)的過程是：首先設(shè)置通用定時(shí)器控制寄存器TxCON確定計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式和時(shí)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(hào)。

圖2 通用定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖

    而輸出移相波形的關(guān)鍵是讓同一事件管理器中的兩個(gè)通用定時(shí)器同步工作，并且在一個(gè)通用定時(shí)器從零開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻，賦予另一個(gè)通用定時(shí)器計(jì)數(shù)器不同的初值，初值的大小決定兩個(gè)通用定時(shí)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(gè)通用定時(shí)器GPT1和GPT2的同步工作，產(chǎn)生移相波形。

圖3 帶死區(qū)的移相控制波形產(chǎn)生過程

    為了避免因開關(guān)器件特別是IGBT器件在關(guān)斷時(shí)電流拖尾造成橋臂瞬時(shí)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?yàn)镻LD具有可在線修改能力，可在PCB電路完成后隨時(shí)修改設(shè)計(jì)，而不必改動(dòng)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(cè)電路

    在全橋電路中，一對(duì)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(dǎo)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€(gè)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(duì)晶體管的導(dǎo)通脈寬不相等（例如由于存儲(chǔ)時(shí)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(duì)稱等）時(shí)，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(gè)周期終了時(shí)不能返回到起始點(diǎn)，于是將在一個(gè)方向增大，其工作區(qū)域?qū)⑵蛞粋€(gè)象限，引起磁芯飽和從而導(dǎo)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(shì)，盡量簡(jiǎn)化主電路的設(shè)計(jì)，增加變壓器的利用率，本文設(shè)計(jì)中采取以下方法來進(jìn)行磁偏的檢測(cè)和控制。如圖4所示，通過互感器分別檢測(cè)變壓器的一次側(cè)正負(fù)半周的電流大小，將檢測(cè)得到的值HCQ1和HCQ2進(jìn)行比較，一旦某個(gè)半周的電流偏大超過一定的值，則認(rèn)為出現(xiàn)了偏磁，將該信號(hào)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(dòng)脈沖的寬度，強(qiáng)制對(duì)變壓器進(jìn)行磁恢復(fù)，防止變壓器飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4  變壓器磁偏檢測(cè)電路圖

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(hào)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(hào)與采樣輸出信號(hào)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(shí)間可達(dá)到500 ns，也滿足控制對(duì)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(jì)了低通濾波器對(duì)電壓和電流的信號(hào)進(jìn)行處理，以消除高頻信號(hào)的干擾和更好的消除線路以及空間的干擾。

2.4保護(hù)功能

    電源運(yùn)行過程中，可能會(huì)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(fù)載短路或者過流、散熱器過熱等等，需要在控制中加以保護(hù)。

    在本文設(shè)計(jì)中，利用了DSP 功率保護(hù)引腳PDPINT的功能對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并能夠做到及時(shí)恰當(dāng)處理，做到系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

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

2.5外部接口

    本文設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器外部接口包括外部控制I/O接口和外部通訊接口。

    利用DSP內(nèi)部的I/O口來實(shí)現(xiàn)外圍的附加控制功能，如：指示燈顯示、主電路的緩起控制、輸出接觸器的控制、散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制等；

    外部通訊接口包括CAN總線接口和RS232接口。CAN總線接口可滿足遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸要求，RS232接口可與人機(jī)設(shè)備接口。

    外部CAN總線通訊接口采用TMS320LF2407A芯片的CAN 控制器接口，利用用82C250作為CAN驅(qū)動(dòng)芯片和外部設(shè)備通訊。CAN驅(qū)動(dòng)芯片82C250單獨(dú)供電，通過光耦將DSP內(nèi)部CAN控制器的引腳CANRX和CANTX和驅(qū)動(dòng)芯片82C250隔離，以減少數(shù)字信號(hào)對(duì)CPU的干擾。

    RS232通訊接口利用TMS320LF2407A芯片包含的串行通信接口SCI模塊，它支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊。SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個(gè)都有它自己?jiǎn)为?dú)的使能位和中斷標(biāo)志位。兩者都可以獨(dú)立工作，或者在全雙工的方式下同時(shí)工作。本文設(shè)計(jì)中，CPU的SCI模塊引腳SCIRX和SCITX通過光耦隔離后和RS232串口驅(qū)動(dòng)芯片MAX232相連接，MAX232的輸出采用3線傳送方式，信號(hào)通過高速光耦隔離后與外部設(shè)備連接。

3．?dāng)?shù)字化充電電源應(yīng)用試驗(yàn)

    近年來，國內(nèi)電動(dòng)車相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，如何解決動(dòng)力電池的快速而方便充電問題，成為電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化鏈中非常重要的一環(huán)。而本文設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器能很好的適應(yīng)數(shù)字化充電電源對(duì)控制器的要求，并進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。

    采用本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化控制器的數(shù)字化充電電源主電路拓?fù)淙缦聢D5所示。

    主電路開關(guān)器件采用IXYS公司的新型功率型MOSFET器件IXFN44N80（44A，800V，有續(xù)流二極管），輸出整流二極管采用DESI2*61-10B（60A、1000V快恢復(fù)二極管），輸出濾波電感1mH，諧振電容0.022µF，電路工作頻率f_s＝80kHz，死區(qū)時(shí)間1µs。

圖5 主電路拓?fù)?/P>

    數(shù)字化充電電源通過CAN2.0協(xié)議與動(dòng)力電池組的BMS（電池管理系統(tǒng)）通訊，采集電池的相關(guān)數(shù)據(jù)（電池電壓、電池溫度、電池充電狀態(tài)等），為充電管理提供參考數(shù)值；通過RS232協(xié)議與計(jì)算機(jī)通訊，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)框圖如下圖6所示。

圖6 試驗(yàn)框圖

    試驗(yàn)中充電方法采用典型的電池三階段恒流方式，數(shù)字化充電電源輸入為三相交流電，輸出直流電壓范圍300V～720V，輸出電流范圍0～30A。

圖7 電池充電試驗(yàn)曲線

    動(dòng)力電池組采用電動(dòng)車用鎳氫動(dòng)力電池組（由426只單體組成，標(biāo)稱電壓511V），充電采用三階段恒流充電方法。

    試驗(yàn)充電曲線如圖7所示。數(shù)字化充電電源充電效率≥90%，穩(wěn)壓精度不大于1％,穩(wěn)流精度不大于1％。

4 結(jié)論

    經(jīng)過數(shù)字化充電電源應(yīng)用試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的移相全橋諧振軟開關(guān)數(shù)字控制器不僅實(shí)現(xiàn)了功率器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等主電路控制功能外，還提供了豐富的外部通訊接口（CAN總線：CAN2.0協(xié)議；串口通訊：RS232協(xié)議），以及外部設(shè)備控制功能，通過DSP和CPLD編程，實(shí)現(xiàn)不同類型功率模塊、不同輸出要求的開關(guān)電源數(shù)字化控制。

    本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能和CPLD可編程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有數(shù)字化、智能化、通用性好的開關(guān)電源數(shù)字控制器，使得應(yīng)用該數(shù)字控制器的開關(guān)電源具有很高的響應(yīng)速度，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的輸出特性，如滿足電池充電過程中針對(duì)不同的充電策略所要求的充電曲線等，因此具有較廣的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)
1 劉和平，張學(xué)峰. TMS320LF240Xdsp結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.4
2 張占松. 蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.7
3 廖京盛，游林儒.  基于TMS320LF2407的模糊控制直流調(diào)速系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005 Vol.21 No.4
4王建校，寧改娣. MAX＋PLUS II入門，北京：科學(xué)出版社，2000.10