申士卿，陳國平，顧 健

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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一種基于DSP的半橋數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計

申士卿，陳國平，顧 健

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對正激變換器變壓器磁復(fù)位需要增加鐵心復(fù)磁電路，電壓應(yīng)力高；反激式變換器峰值電流較大，輸出電壓紋波大等問題。文中設(shè)計了一款基于DSP的半橋數(shù)字開關(guān)電源，提出了一種新型的正反激開關(guān)電源拓?fù)?，介紹了主電路工作原理，并以TMS320LF2407A DSP芯片為核心，完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及軟件數(shù)字PID算法。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計軟硬件設(shè)計合理，實現(xiàn)了數(shù)字化采樣、運(yùn)算、控制輸出等功能。

開關(guān)電源；數(shù)字控制；DSP技術(shù)

數(shù)字開關(guān)電源[1]具備高適應(yīng)性、高效性以及靈活的交互功能，目前已成為眾多智能化設(shè)備的首選供電方案。DSP芯片高速的電子與電力傳動。

數(shù)據(jù)信號處理能力以及豐富的外圍設(shè)備適用于實時信號處理，從而使得開關(guān)電源實行全數(shù)字控制具備了可實施的方案。本文將DSP技術(shù)應(yīng)用于一種新穎的開關(guān)電源[2]，簡化了電源的控制電路，同時減少了功耗，提高了電源的控制靈活性及可靠性。

1 結(jié)構(gòu)及基本原理

本設(shè)計的開關(guān)電源基本組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括DC-DC功率變換主電路和以DSP為核心的控制電路、輔助電源電路。主電路主要由DC-DC變換電路、EMI防電磁干擾濾波器以及整流濾波電路3部分組成[3]?？刂齐娐吠ㄟ^調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比來控制電壓的輸出，實現(xiàn)信號處理、閉環(huán)控制、電路保護(hù)的功能，其中驅(qū)動電路用于對DSP輸出的PWM信號進(jìn)行隔離、放大，反饋電路采集輸出電壓、電流信號，輔助電路用來對芯片提供工作電壓[4]。

圖1 數(shù)字開關(guān)電源總體設(shè)計框圖

2 主電路設(shè)計

在中小功率應(yīng)用場合，正、反激式變換器以其結(jié)構(gòu)簡單，性價比高等優(yōu)點而受到關(guān)注。但傳統(tǒng)的正、反激式變換器也存在其固有的缺點，如正激變換器變壓器磁復(fù)位需要增加鐵心復(fù)磁電路，電壓應(yīng)力高；反激式變換器峰值電流較大，輸出電壓紋波大等問題[5]。征集電路在開關(guān)閉合時有輸出電壓，在開關(guān)關(guān)斷時不能有，且反激變換器在開關(guān)閉合時通過變壓器儲存能量，在開關(guān)關(guān)斷時有能量輸出，正激變換器和反激變換器均不能在一個周期內(nèi)有持續(xù)的電壓輸出，這也是正激和反激變換器共有的缺點。本設(shè)計提出了一種新型的正反激開關(guān)電源拓?fù)?，克服了單端正激電路和反激電路存在的一些缺點，并能保證在一個周期內(nèi)有穩(wěn)定的可持續(xù)的電壓輸出，從而為相應(yīng)的設(shè)備提供可靠的穩(wěn)定的電壓，在電路形式上，這種變換器可采用雙變壓器結(jié)構(gòu)或者單變壓器結(jié)構(gòu)，輸出可以是雙路或單路[6]。主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 主電路拓?fù)?/p>

狀態(tài)1 (t0～t1)：開關(guān)時序圖如圖3所示，之前S2開通，S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷，S3流過從右向左的電流。此時T2的勵磁電感Lm2釋放能量，T2變壓器工作在正激狀態(tài)，T1此時當(dāng)做電感使用，其勵磁電感儲能，t0時S2關(guān)斷，S4導(dǎo)通，此時Lm2能量沒有釋放完全，繼續(xù)通過理想變壓器T2的原邊續(xù)流，Lm1通過T1的原邊續(xù)流這時副邊S4有流過從右向左的電流。此時T1兩端電壓和T2兩端的電壓大小相等，方向相反電流為零;

狀態(tài)2 (t1～t2)：t1時刻Lm2的電流下降到穩(wěn)態(tài)最低值，且此時S1打開，原邊自上而下的電流流過，此時T2沒有電流流過，原邊電流均通過勵磁電感流過，Lm2儲能，Lm1電流繼續(xù)減小，能量依舊通過T1往副邊傳遞，同時T1工作在正激狀態(tài)，此時由T1、負(fù)載、S4組成的回路有順時針的電流流過；

圖3 開關(guān)時序圖

狀態(tài)3 (t2-t3)：t2時刻S1關(guān)斷，S3打開，Lm2儲能結(jié)束，勵磁電感Lm2通過T2續(xù)流，將開始往副邊傳遞能量，此時T2、S3和負(fù)載組成的回路有逆時針方向的電流流過。Lm1繼續(xù)通過T1續(xù)流，其電流繼續(xù)減小，到t3時刻Lm1的電流減小到穩(wěn)態(tài)最小值。此時T1兩端的電壓和T2兩端的電壓大小相等，方向相反，且原邊主電流也為零；

狀態(tài)4 (t3～t4)：t3時刻S2開通，原邊流過自下而上的電流，此時理想變壓器T1無電流流過，原邊電流都經(jīng)過Lm1，此時Lm1儲能，T2工作在正激狀態(tài)，Lm2繼續(xù)通過T2續(xù)流，副邊由T2、S3和負(fù)載組成的回路由逆時針方向的電流流過。

3 DSP控制電路設(shè)計

開關(guān)電源正不斷向高頻數(shù)字化方向發(fā)展，使用高性能的DSP芯片對電源進(jìn)行控制，不僅能使得電路設(shè)計更加簡單，還可高效快速地實現(xiàn)多種控制算法[7]?？刂菩酒刂仆庠O(shè)和實時處理功能為一體，為設(shè)計控制系統(tǒng)提供了較好的解決方案。本文設(shè)計的控制電路采用TMS320LA2407A型號DSP芯片[8]。

3.1 電壓檢測電路設(shè)計

為了輸出穩(wěn)定的電壓信號，需要對輸出電壓進(jìn)行實時調(diào)控，通過采集電路得到輸出電壓信號經(jīng)DSP內(nèi)部ADC模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存入DSP存儲器中，CPU再對采集到的電壓信號進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，從而實現(xiàn)對輸出電壓的控制[9]。由于DSP只能采集0～3.3 V的電壓信號，因此在將輸入信號采集到DSP的ADC之前，首先要對信號進(jìn)行處理，包括輸入阻抗調(diào)整以及硬件濾波，濾除不必要干擾信號。本文電壓檢測電路如圖4所示，運(yùn)放芯片采用MCP604，單電源3.3 V供電，構(gòu)成電壓跟隨器，充當(dāng)模擬輸入信號的驅(qū)動以及緩沖器，并提供穩(wěn)定的輸出阻抗，同時保護(hù)DSP的ADC輸入端。

圖4 輸出電壓采樣電路

3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于芯片本身不帶有D/A轉(zhuǎn)換器，因此需要為控制電路設(shè)計數(shù)字/模擬量轉(zhuǎn)換電路。下圖為本文采用的設(shè)計方案，T1PWM為幅值不變脈寬可調(diào)的PWM波，經(jīng)過R4和C3組成的RC濾波器以及右邊由TL084和其他元件組成的二階巴特沃斯低通濾波器后便得到了不含有交流分量只含有直流分量的模擬輸出分量。

圖5 輸出電壓采樣電路

3.3 DSP電源電路設(shè)計

TMS320FL2407芯片工作時所要求的電壓分為兩部分：3.3 V的Flash電壓和1.8 V內(nèi)核電壓，所以在此采用電壓精度較高的電源芯片TPS767D301，此款芯片輸入電壓為5 V，芯片起振正常工作后能夠產(chǎn)生3.3 V和1.8 V兩種電壓供DSP使用，圖6為電源的產(chǎn)生電路。

圖6 DSP電源電路

3.4 過電壓和過電流保護(hù)

將檢測到的過壓與過流故障信號經(jīng)一或非門74LS02傳送到DSP的 PDPINTx引腳，一旦有故障信號發(fā)生，PDPINTx變?yōu)榈碗娖?，隨即產(chǎn)生功率驅(qū)動保護(hù)中斷，PWM輸出引腳立即置為高阻態(tài)，封鎖驅(qū)動信號，從而保護(hù)功率電路安全[10]。

4 系統(tǒng)控制算法及軟件實現(xiàn)

能使得開關(guān)管導(dǎo)通的PWM波形主要通過對相關(guān)通用定時器參數(shù)的設(shè)定而實現(xiàn)的，EV模塊中的通用定時器具有比較寄存器TxCMPR和輸出引腳TxPWM，當(dāng)通用定時計數(shù)器的值和比較寄存器值產(chǎn)生比較匹配事件時候，使得TxPWM引腳的電平發(fā)生跳變，產(chǎn)生PWM波。設(shè)定定時器的步驟如下：(1)根據(jù)預(yù)定的PWM波周期設(shè)置TxPR值；(2)通過設(shè)置TxCON寄存器來選擇計數(shù)模式以及時鐘源，并使能定時器的比較輸出；(3)將PWM脈沖的占空比設(shè)定到TxCMPR寄存器中。

每個EV事件管理器含有3個比較單元，而每個比較單元均有一對PWM輸出[11]。選擇通用定時器1或通用定時器3產(chǎn)生PWM波形，在PWM周期內(nèi)計數(shù)，當(dāng)比較寄存器的值和計數(shù)值與產(chǎn)生比較匹配時，相應(yīng)的PWM輸出PWM波。PWM波形產(chǎn)生的設(shè)置步驟基本如下：(1)首先設(shè)置并裝載ACTRx寄存器的值；(2)避免半橋電路中上下臂開關(guān)管同時導(dǎo)通；需要帶有死區(qū)，因此設(shè)置DBTCONx寄存器；(3)初始化CMPRx寄存器；(4)通過設(shè)置和裝載T1CON或者T3CON寄存器來啟動比較操作功能；(5)更新CMPRx寄存器的值，從而改變PWM波占空比。

用通用定時器產(chǎn)生跟比較單元與脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的PWM波相比，前者從產(chǎn)生的后級推動變壓器輸出波形的最佳性或是對死區(qū)控制的靈活性而言，均優(yōu)于后者。因此本設(shè)計采用前種控制方式，即采用比較寄存器以及計數(shù)寄存器經(jīng)比較匹配來產(chǎn)生非對稱的PWM波，為避免半橋電路兩開關(guān)管同時開通造成脈沖重疊現(xiàn)象從而導(dǎo)致上下橋臂直通短路，在程序中設(shè)置一定的死區(qū)時間，這樣保證當(dāng)其中一管導(dǎo)通前另一開關(guān)管被完全關(guān)斷[12]。程序的流程圖如圖7所示。

圖7 主程序、ADC中斷服務(wù)程序圖

5 實驗結(jié)果分析

為驗證設(shè)計電路的正確性，對基于設(shè)計的拓?fù)涞臄?shù)字開關(guān)電源進(jìn)行了仿真實驗[13]。仿真使用的是Saber軟件，Saber作為混合仿真系統(tǒng)，能夠兼容模擬及數(shù)字控制量的混合仿真，方便在不同層面上分析以及解決問題。根據(jù)本電路設(shè)計的要求，輸入電壓為48 V和72 V時得到的輸出電壓分別為1.8 V和2.2 V。

圖8 輸出電壓1.8 V波形圖

圖9 輸出電壓2.2 V波形圖

從仿真圖形觀察可知，當(dāng)改變電源的輸入電壓時，輸出電壓能按照預(yù)定值進(jìn)行改變且輸出穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，該設(shè)計的數(shù)字開關(guān)電源集成度高，具有快速穩(wěn)定、失真小、智能化、高效率等特點，適合應(yīng)用在對精度要求高的設(shè)備，可應(yīng)用在中小功率的智能化的DC供電場合，具有實際的應(yīng)用價值[14]?；?DSP 控制的數(shù)字開關(guān)電源具備廣闊的應(yīng)用前景，為了能對其進(jìn)行推廣，還需要不斷加強(qiáng)研究力度[15]。

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Design of Half Bridge Digital Switching Power Supply Based on DSP

SHEN Shiqing，CHEN Guoping，GU Jian

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

According to the forward converter transformer reset need increase the core complex magnetic circuit,existence the problem of high voltage stress;There are also some defects with the flyback converter,such as the peak current is large and high output voltage ripple. This paper introduces the design of a half bridge switching power supply based on digital DSP .The design proposed a new model of forward and flyback switching power supply,introduced the working principle of the main circuit,using TMS320LF2407A Digital Signal Processor as the core .The hardware circuit design and software digital PID algorithm are accomplished, and the functions of digital sampling, operation and control are realized.

switching power supply; digital current control; DSP technology

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.009

2016- 02- 19

滬江基金資助項目(B1402/D1402)

陳國平(1970-)，男，工程師,碩士生導(dǎo)師。研究方向：電力電子與電力傳動。申士卿(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。

TN86

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1007-7820(2016)12-029-04