宣麗萍，李 朕

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

基于DSP的開關(guān)電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

宣麗萍，李 朕

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

針對開關(guān)電源系統(tǒng)中普遍存在損耗高、諧波含量大、體積大等問題，提出一種基于DSP控制的低損耗、低諧波、高功率因數(shù)開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于DSP生成的PWM波控制開關(guān)通斷，主電路采用移相全橋零電壓軟開關(guān)技術(shù)，由改進的EMI濾波電路進行濾波，并應(yīng)用平均電流控制方法控制Boost-PFC。整個設(shè)計對EMI濾波、功率因數(shù)校正、零電壓開關(guān)等電路進行優(yōu)化，通過仿真和實驗結(jié)果表明，該設(shè)計具有損耗低、諧波含量低、體積小且輸出電壓穩(wěn)定、控制電路簡單、變壓器制作難度得以簡化、可靠性高等優(yōu)點。

開關(guān)電源；EMI電路；功率因數(shù)校正；DSP；優(yōu)化設(shè)計

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和開關(guān)電源技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對電源性能的要求也不斷提高。對高頻開關(guān)電源的研究主要集中在減小體積、提高頻率、數(shù)字化控制、高可靠性以及降噪等方面。本文提出了一種輸入為市電，輸出為直流12 V的基于DSP的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。整個系統(tǒng)具有損耗低、諧波小、體積小、輸出電壓穩(wěn)定、控制電路簡單、可靠性高，而且電源能夠?qū)崿F(xiàn)自我監(jiān)測，使得設(shè)備的可靠性和適應(yīng)性大大提高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由改進的EMI濾波器、整流、APFC電路、DC/DC變換器、輸出濾波、DSP控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路、輔助電源等幾個部分構(gòu)成。220 V交流電經(jīng)過EMI濾波、整流電路整流、APFC功率因數(shù)提高再進行DC-DC變換生成直流電，采樣電路對輸出電壓進行采樣，由DSP控制產(chǎn)生PWM波，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)管的通斷，使得輸出電壓為一個比較穩(wěn)定的直流電，EMI電路抑制電網(wǎng)噪聲及諧波，輔助電源為芯片提供所需電壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 主電路設(shè)計

2.1 EMI濾波電路

為了減少電源產(chǎn)生的EMI噪聲，降低開關(guān)電源在使用中對電網(wǎng)造成的干擾，同時避免電網(wǎng)對電源造成干擾，電源必須加入EMI濾波器。傳統(tǒng)的濾波器是由共模電容、差模電容以及共模扼流圈構(gòu)成的，抑制共模干擾，但對差模干擾幾乎不起作用。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)EMI濾波器基礎(chǔ)上于共模電容Cy兩端分別加入兩個電感，則經(jīng)過電容流入地的電流與信號線中的電流方向正交，感生電感減小，插入損耗特性優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。經(jīng)計算差模電容Cx=0.1 uF，共模電容Cy=2 200 pF ，共模電感L=8 mH，電感L0=0.36 mH。實際制作可適當(dāng)增大Cx,Cy,L0值。

圖2 改進后的EMI濾波電路

對傳統(tǒng)與改進后的EMI電路仿真對比結(jié)果如圖3所示，曲線1和2分別為改進后EMI電路和傳統(tǒng)EMI電路的插入損耗情況。仿真結(jié)果表明，除諧振點處插入損耗相等外，其他點處改進后的EMI明顯優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 改進后的EMI濾波電路與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)濾波電路插入損耗仿真對比結(jié)果

2.2 數(shù)字控制APFC電路

為提高功率因數(shù)，系統(tǒng)采用基于DSP和平均電流控制方法控制的Boost-PFC，具有精度高和抗干擾能力強的特點，如圖4所示。

圖4 APFC電路

DSP對采樣得到的電壓電流信號進行運算處理，輸出一個比較值送給內(nèi)部比較單元以改變相應(yīng)的寄存器值，輸出波形的占空比將隨寄存器值而變化，實現(xiàn)對功率管的開關(guān)控制，從而使輸入電流的波形隨輸入電壓的波形變化并保持一致，因此,功率因數(shù)得以提高，諧波得以抑制。

整流輸入電壓為220 V/50 Hz交流電，APFC電路輸出電壓Vo=400 V，開關(guān)頻率fs=100 kHz。DC/DC變換器輸入直流400 V(±5%)，輸出直流12 V，上下浮動范圍在20%以內(nèi)，輸出功率400 W。經(jīng)計算，升壓電感0.36 mH，輸出電容為1 974 uF，輸入二極管整流橋選用KBPC1510，開關(guān)管選用SPW47N60S5型號47 A/600 V的場效應(yīng)管，輸出二極管選DSEI12-06A型。

仿真結(jié)果對比如圖5～圖8所示，由圖可知，無APFC環(huán)節(jié)的電路電流波形嚴(yán)重畸變，輸出電壓波動范圍大，難以穩(wěn)定，加入APFC環(huán)節(jié)，電流波形隨著輸入電壓波形的變化而變化且相位相差幾乎為0，不僅提高了功率因數(shù)，而且使得輸出電壓穩(wěn)定。

圖5 無功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)時輸入電壓和電流波形

圖6 無功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的輸出電壓波形

圖7 功率因數(shù)校正后的輸入電壓和電流波形

圖8 輸出電壓波形

2.3 移相全橋軟開關(guān)變換主電路

主電路采用移相全橋零電壓軟開關(guān)技術(shù)，在開關(guān)過程的瞬間利用諧振使與開關(guān)管并聯(lián)的諧振電容充放電，此時與開關(guān)管反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通并將其兩端電壓維持為0，功率管導(dǎo)通。為實現(xiàn)輕載下零電壓導(dǎo)通，系統(tǒng)在滯后橋臂加入輔助諧振電路，很大程度提高了變壓器副邊的占空比。變壓器副邊采用倍流整流電路，平均電流僅為輸出負(fù)載電流的一半。負(fù)載電流的一半流經(jīng)其中一個電感和變壓器副邊繞組，另一半通過剩下的一個電感且不經(jīng)變壓器繞組，雙向勵磁，簡化變壓器制作難度，且使得磁芯和繞組得到充分利用，如圖9所示。

圖9 主電路

經(jīng)計算,功率開關(guān)管可選型號為SPW24N60C3的MOSFET，變壓器原邊諧振電感為75 uH，輸出濾波電感為3.58 uH，輸出濾波電容為173 uF，輸出電路整流二極管選MUR6040型號。

3 控制電路

控制電路采用TI公司推出的TMS320F2812型號DSP為核心芯片，完成電壓電流信號的采樣計算以及變換處理、PWM波形的生成與輸出等。

3.1 采樣電路設(shè)計

因DSP只能對0～3.3 V的電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而主電路中的電壓電流均較大，設(shè)計中采用型號HNV025A和HNC025A的霍爾傳感器來實現(xiàn)控制電路與采樣電路的隔離。在APFC電路和DC/DC電路中均有電壓采樣電路，在APFC中電壓信號采樣主要對輸入和輸出電壓采樣，在DC/DC電路中對最終輸出電壓采樣，在APFC電路中對電感電流采樣，從而達(dá)到使輸入電流波形與輸出電壓

波形變化規(guī)律一致的目的，不同的采樣對象，只需對霍爾傳感器原副邊電阻進行調(diào)整即可，采樣得到的信號經(jīng)過濾波和變化等處理送給DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 電壓采樣電路

3.2 功率管驅(qū)動電路

為使DSP控制系統(tǒng)與主電路在電氣上進行隔離，抗干擾能力強，改善器件的靜動態(tài)性能以減小器件損耗，在100 kHz的開關(guān)頻率下選擇帶脈沖變壓器隔離的驅(qū)動器KD 102，如圖11所示。

圖11 KD102原理

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用模糊PID算法，如圖12所示。模糊推理與解模糊方法分別采用Mamdani方式以及面積重心法。

圖12 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理

DSP實現(xiàn)對開關(guān)管的數(shù)字控制需要上下橋臂開關(guān)管上的驅(qū)動信號互補且?guī)в幸欢ㄋ绤^(qū)時間，對角橋臂開關(guān)管上的驅(qū)動信號之間相差一個在系統(tǒng)運行過程中不斷調(diào)整的移相角。設(shè)計中移相脈沖的生成直接通過F2812內(nèi)部的事件管理器EVA進行，經(jīng)過控制算法的運算處理后得到移相角為α，與之對應(yīng)的計數(shù)值為PS，α?xí)SPS值的變化而變化，死區(qū)時間的設(shè)定可以通過對死區(qū)定時器控制寄存器的設(shè)置來進行。

程序設(shè)計主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序完成對系統(tǒng)進行初始化，確定PWM波形的頻率、裝載比較寄存器初始值以及對死區(qū)定時器控制寄存器進行設(shè)置，使能相應(yīng)的中斷并循環(huán)等待。如圖13所示。中斷程序主要完成比較寄存器值在后半周的裝載并啟動采樣，然后對APFC控制回路以及DC/DC控制進行相應(yīng)計算，如圖14、15所示。程序中設(shè)定定時器TI時鐘頻率為37.5 MHz，周期寄存器TIPR為187.5(0×00BB)，即輸出PWM波形頻率為100 kHz。

圖13 主程序流程

圖14 T1周期中斷流程

圖15 T1下溢中斷流程

5 系統(tǒng)仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建整個系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)輸出電壓波形如圖16所示。

圖16 12 V輸出電壓仿真波形

仿真可知，經(jīng)調(diào)整后輸出電壓穩(wěn)定在12 V且波動范圍小于10%，輸出特性曲線良好。

6 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了對輸出12 V的開關(guān)電源的優(yōu)化改進設(shè)計，通過仿真及實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有輸出性能良好，開關(guān)頻率高、精度高且穩(wěn)定、動態(tài)性能

良好，控制電路簡化，諧波低，損耗低，功率因數(shù)高等特點，具有很高的應(yīng)用價值。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

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Optimization design of switching power supply system based on DSP

XUAN Li-ping, LI Zhen

(College of Electric and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

Aiming at the problem of switching power supply system such as high loss, big harmonic content, large volume and other issues, it puts forward an optimization design system based on DSP control of the low loss, low harmonic, high power factor of switching power supply. The main circuit of the system adopts phase-shifted full- bridge zero-voltage soft switching technology, and it is filtered with a modified EMI filter and corrected with the Boost PFC which is controlled by the mean current control method. The control circuit uses DSP to generate PWM waveform. The EMI filter, power factor correction circuit and zero voltage switching circuit are designed and optimized. The simulation and experimental results show that the design has the advantages of low loss, low harmonic content, small volume and stable output voltage, high reliability,simple control circuit and simplified transformer manufacturing.

switching power supply;EMI circuit;PFC;DSP;optimization design

2014-12-10

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12531593)

宣麗萍(1971-)，女，副教授，碩士研究生，研究方向：電力電子.

TN86

A

1671-4679(2015)02-0008-05