基于DSP的智能功放開關電源設計

摘要：針對音響功放環(huán)保節(jié)能的需要，設計一款新型功放開關電源的控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)可應用于大型功放系統(tǒng)的DSP控制。詳細描述系統(tǒng)的組成結構和軟硬件設計。該系統(tǒng)采用TMS320F2812為主控制器，電路結構簡化，數(shù)字控制功放電源。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的調節(jié)功能，既滿足一定控制精度要求，又滿足實時性要求，在高端大功率音響功放中具有較大的應用前景。
關鍵詞：DS；音響功放；開關電源；全橋移相


1 引言
    開關電源以體積小，重量輕，功耗低，效率高，紋波小，噪聲低，智能化程度高，易擴容等，逐漸替代工頻電源，廣泛應用于各種電子設備。高可靠性、智能化及數(shù)字化是開關電源的發(fā)展方向。音響功放要求電源隨著負載變化自動調整輸出電壓，進而調節(jié)功率，以提高電源動態(tài)性能，降低音響功放內部損耗，但目前的開關電源無法實現(xiàn)。選用TMS320F2812型DSP作為功放開關電源的主控制器，設計一種低功耗。適用于大型功放系統(tǒng)的新型的智能功放開關電源。

2 智能功放開關電源設計
    圖1為智能音響功放開關電源的總體原理框圖，主電路采用交一直一交一直的結構。輸入工頻220 V交流電路經(jīng)濾波電路后，再經(jīng)單相橋式整流電路輸出直流電壓；變換電路采用全橋移相逆變電路將前端直流電變換為高頻的交流電．然后經(jīng)二次整流濾波輸出穩(wěn)定的直流電壓；檢測電路對輸出電壓信號采樣后，送入控制電路，通過改變控制電路輸出脈寬占空比來調節(jié)輸出電壓；保護電路實現(xiàn)過壓和過流保護；功率檢測電路對變換電路電流采樣，當輸出功率超過500 W時，產生過功率檢測信號，驅動控制電路，降低輸出電壓：輔助電源電路為控制電路和各種運放供電。







2．1 功放開關電源模塊
    圖2是功放開關電源的主電路，其中Vin是220 V交流輸入經(jīng)前端濾波和全波整流得到，電壓為300 V。為全橋逆變電路的輸入電壓。VQ1、VQ2、VQ3、VQ4為IRFP460型大功率MOSFET，用作變換器開關管。由于IRFP460型MOSFET是多數(shù)載流子器件，開關速度極快，開通和關斷時間的典型值一般20 ns，具有較高的擊穿電壓和較大的工作電流。此外，MOSFET的輸入阻抗高，驅動電路較簡單，只要在柵源之間加10 V左右的電壓，就可使其飽和導通。L4、C5、C6構成輔助諧振網(wǎng)絡，考慮到變壓器原邊漏感，諧振電感LT的取值一般比實際值小，這里選用電感值為34 μH的非線性飽和電感1μF的，考慮到高頻脈沖變壓器T1磁飽和問題，原邊繞組串接防偏磁電容，VD15和VD16，VD17和VD18分別為全波整流二極管，L1、C13、EC1、EC2和L2、C14、EC3、EC4分別為+35 V和-35 V輸出回路的濾波電路。

 

 

2．2 功放開關電源模塊控制電路
    該控制電路以DSPTFMS320F2812為核心，主要包括產生移相脈沖波形、實時采樣、功率調節(jié)、過壓保護、過流保護、過功率保護、濾波算法和全橋移相算法等功能。采用TMS320F2812內置的16路12位高分辨率A／D轉換電路實現(xiàn)電壓、電流實時采樣．每通道的最小轉換時間為80 ns，A／D轉換電路的輸入信號電平范圍為0～3 V。采樣后，通過軟件編程調整驅動全橋逆變器開關管的PWM波形移相角，實現(xiàn)穩(wěn)壓，同時當輸出電壓、電流過高或欠壓時，DSP調用相應的子程序處理突發(fā)異常事件，起到保護作用。同時通過A／D采樣輸出電壓電流信號進行運算，可精確測量輸出功率，并調整事件管理器相關寄存器的值來調節(jié)輸出電壓。
    控制器的動態(tài)特性和穩(wěn)壓精度等性能與調節(jié)器設計密切相關。在功放開關電源的設計中，采用增量式PID控制算法。
    電源設計中的數(shù)字控制均采用數(shù)字采樣控制，即根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。PID控制的離散形式為：

 


式中，Ts為采樣周期。
    式(1)為是位置式PID控制算式。為增加控制系統(tǒng)的可靠性，采用增量式PID控制算式，即DSP只輸出控制量u(k)的增量，式(1)是第K次PID控制器的輸出量，那么(K-1)次PID控制器的輸出量為：




因此，增量式PID控制算法為：

 

 

    式(3)和式(4)就是該控制程序的增量式PID控制算式。增量式PID控制與位置式PID控制相比僅算法不同，但它只輸出增量，減少了DSP誤操作時對控制系統(tǒng)的影響，而且不會產生積分失控。圖3為基于TMS320F2812的PID控制器的實現(xiàn)框圖。

 


2．3 功放開關電源的軟件設計
    基于DSP的功放開關電源的軟件設計主要實現(xiàn)以下功能：
    (1)全橋移相脈沖的產生 利用TMS320F2812事件管理器中兩個比較單元直接輸出電路脈沖。從移相基本原理來看，滯后橋臂相對于超前臂之間的驅動有一個周期性延時，其延時角即為移相角。設定由比較單元1輸出的PWM1／PWM2分別驅動超前臂開關管VQ1、VQ3，由比較單元2輸出的PWM3／PWM4驅動滯后臂開關管VQ4、VQ2。每個橋臂上下兩管之間的驅動脈沖互補且?guī)绤^(qū)，固定超前橋臂的驅動在每周期的0時刻發(fā)出，則只要延遲移相角φ對應的時間，再發(fā)生比較事件則可得到滯后橋臂的驅動脈沖，從而實現(xiàn)0°～180°范圍內的自由移相。
    (2)過壓、過流、過功率的檢測和保護 基于DSP的功放開關電源具有過壓、過流、過功率、過熱等保護功能。發(fā)生異常時．系統(tǒng)進入異常中斷服務子程序進行處理，并及時閉鎖PWM輸出。為防止誤動作，設定連續(xù)讀取20個異常信號才認定為電路異常，否則不處理。各模塊程序流程如圖4～圖6所示。

 


3 實驗結果
    依據(jù)前面的分析設計一臺樣機，開關頻率為100 kHz，輸出電壓為±35 V和±42 V。對基于DSP控制音響功放開關電源進行帶載實驗，在輕載和重載條件下，輸出電壓紋波系數(shù)小于0．5％，輸出電壓精度小于O．5％。
    圖7為DSP的移相波形。其中，通道1為比較單元1的PWM1輸出，為超前橋臂；通道2為比較單元2的PWM3輸出。從圖7可清楚看到通道2滯后通道1約135°。圖8為滯后橋臂零電壓開通臨界波形，輸入電壓約為175 V，輸出功率為100W。圖8中通道1為功率MOS管柵源電壓Vcs波形，通道2為功率MOS管漏源電壓VDS波形。關斷VDS時為175 V，由圖8可看到VDS先降到0，然后Vcs上升。此時開通開關管為零電壓開通。負載越重，零電壓開通現(xiàn)象越明顯。在輸出功率400 W時，輸入功率為440 W，全橋移相變換器的轉換效率為90．9％。
    實驗結果表明：基于DSPTMS320F2812的功放開關電源輸出波形良好，諧波含量少，可調節(jié)性優(yōu)良，負載在全范圍變化時，開關電源能夠保持良好的輸出性能，而且由于采用全橋移相軟開關變換器，開關管工作在零電壓開關狀態(tài)，因此整個電源系統(tǒng)的功耗小，在高端大功率功放音響中具有較好的應用前景。

 


4 結論
    將DSP作為音響功放開關電源的控制核心，實現(xiàn)了開關電源的數(shù)字控制，克服模擬控制系統(tǒng)中元件老化、熱漂移等問題，并解決單片機控制電路負載、運算精度不高的問題。把全橋移相電路運用在音響功放開關電源中，有效地降低功放開關電源的內部損耗，使其應用于大功率音響功放系統(tǒng)。
    利用TMS320F2812的軟件硬件資源，實現(xiàn)PWM控制、濾波、采樣及各種系統(tǒng)保護功能，簡化控制電路，提高電源設計和制造的靈活性；另外該控制器可控性好，易擴展，容易升級維護。