基于DSP开关电源(共11页).doc

基于DSP的开关电源摘要本文以为控制核心，介绍了一种基于DSP的大功率电源的设计方案该电源采用半桥式逆变电路拓扑结构，应用脉宽调制和软件PID调节技术实现了电压的稳定输出最后，给出了试验结果试验表明，该电源具有良好的性能，完全满足技术规定要求关键字：DSP；开关电源；PID调节ABSTRACTIn this paper,setting TMs320LF2407A as the control center, it describes a DSP-based high-power switching power source design. The power supply uses a half-bridge inverter circuit topology, applications and software PID regulator pulse width modulation technology to achieve a stable output voltage. Finally, the experimental results was given. The experimental results show that the power supply has a good performance, fully meeting the technical requirements.Key Words: DSP; Switching power supply; PID0 引 言　　信息时代离不开设备，随着电子技术的高速发展，电子设备的种类与日俱增，与人们的工作、生活的关系也日益密切。

任何电子设备又都离不开可靠的供电电源，它们对电源供电质量的要求也越来越高　　目前，开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源与之相应，在微电子技术发展的带动下，DSP芯片的发展日新月异，因此基于DSP芯片的开关电源拥有着广阔的前景，也是开关电源今后的发展趋势1 电源的总体方案设计　　本文所设计的开关电源的基本组成原理框图如图1所示，主要由功率主电路、DSP控制回路以及其它辅助电路组成　　开关电源的主要优点在“高频”上通常、电容和在电源装置的体积和重量中占很大比例从“电路”和“电机学”的有关知识可知，提高开关频率可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效地降低电源装置的体积和重量以带有铁芯的变压器为例，分析如下：图1.开关电源基本原理设铁芯中的磁通按正弦规律变化，即φ= φMsinωt，则： (1)　式中，EM= ωWφ M=2πfWφM，在正弦情况下，EM=√2E，φM=BMS，故： (2)式中，f为铁芯电路的电源频率；W 为铁芯电路匝数；BM为铁芯的磁感应强度；S为铁芯线圈截面积。

从公式可以看出电源频率越高，铁芯截面积可以设计得越小，如果能把频率从50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍，则变压器所需截面积可以缩小一千倍，这样可以大大减小电源的体积　　综合电源的体积、开关损耗以及系统抗干扰能力等多方面因素的考虑，本开关电源的开关频率设定为30 kHZ2 系统的硬件设计2.1 功率主电路本电源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”变换的结构，主要由输入电网EMI滤波器、输人整流滤波电路、高频逆变电路、、输出整流滤波电路等几部分组成，如图2所示图2.功率主电路原理图图3.功军主回路的电压波形变化 本开关电源采用半桥式功率逆变电路如图2所示，输入市电经EMI滤波器滤波，大大减少了交流电源输入的电磁干扰，并同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端再经过桥式整流电路、滤波电路变成直流电压加在P、N两点问P、N之间接人一个小容量、高耐压的无感电容，起到高频滤波的作用半桥式功率变换电路与全桥式功率变换电路类似，只是其中两个功率开关器件改由两个容量相等的电容CA1和CA2代替在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程度，CA1和CA2往往采用的是由多个等值电容并联组成的电容组。

C A1、CA2 的容量选值应在电源体积和重量允许的条件下尽可能的大，以减小输出电压的纹波系数和低频振荡CA1 和CA2 在这里同时起到了静态时分压的作用，使Ua =Uin／2　　在本电源的设计中，采用来作为功率开关器件它既具有的通断速度快、输入阻抗高、驱动电路简单及驱动功率小等优点，又具有GTR的容量大和阻断电压高的优点　　在IGBT的集射极间并接RC吸收网络，降低开关应力，减小IGBT关断产生的尖峰电压；并联DQ实现续流的作用二次整流采用全波整流电路，通过后续的LC滤波电路，消除高频纹波，减小输出直流电压的低频振荡LC滤波电路中的电容由多个高耐压、大容量的电容并联组成，以提高电源的可靠性，使输出直流电压更加平稳2.2 控制电路　　控制电路部分实际上是一个实时检测和控制系统，包括对开关电源输出端电压、电流和IGBT温度的检测，对收集信息的分析和运算处理，对电源工作参数的设置和显示等其控制过程主要是通过采集开关电源的相关参数，送入DSP芯片进行预定的分析和计算，得出相应的控制数据，通过改变输出PWM波的占空比，送到逆变桥开关器件的控制端，从而控制输出电压和电流　　控制电路主要包括DSP控制器最小系统、驱动电路、辅助电源电路、采样电路和保护电路。

1）DSP控制器最小系统　　DSP控制器是其中控制电路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片，它是美国 INSTU—MENTS（TI）公司的最新成员TMS30LF2407A基于C2xLP内核，和以前C2xx系列成员相比，该芯片具有处理性能更好（30MIPS）、外设集成度更高、程序更大、A／D转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品，特别适用于电机以及逆变器的控制DSP控制器最小系统包括时钟电路、复位电路以及键盘显示电路时钟电路通过15 MHz的外接提供；复位电路直接通过开关按键复位；由4×4的矩阵式键盘和SPRT12864M LCD构成了电源系统的人机交换界面　　（2）驱动放大电路IGBT的驱动电路采用脉冲变压器和组成，其电路原理图如图4所示：图4.IGBT驱动电路原理图由于的驱动功率较小，不能胜任驱动开关管稳定工作的要求，因此需要加上驱动放大电路，以增大驱动电流功率，提高电源系统的可靠性如图4所示，采用两片TCA422组成驱动放大电路　　／4422是公司生产的9A高速／IGBT驱动器，其中TC4421是反向输出，TC4422是同向输出，输出级均为图腾柱结构　　TC4421／4422具有以下特点：　　①输出峰值电流大：9 A；　　② 电源范围宽：4.5 V～18 V；　　③连续输出电流大：最大2 A；　　④快速的上升时间和下降时间：30 ns（负载4700pF），180 ns（负载 pF）；　　⑤传输延迟时间短：30 ns（典型）；　　⑥供电电流小：逻辑“1”输入～200μA（典型），逻辑“0”输入～55 μA（典型）；　　⑦输出阻抗低：1.4 Ω（典型）；　　⑧闭锁保护：可承受1.5 A的输出反向电流；　　⑨输入端可承受高达5 V的反向电压；　　⑩能够由TTL或CMOS电平（3 V～18 V）直接驱动，并且输人端采用有300 mV滞回的施密特触发电路。

　　当A输出的PWM1为高电平，PWM2为低电平时，经过TCA422驱动放大后输出，在脉冲变压器一次侧所流过的电流从PWMA流向PWMB，如图4中箭头所示，电压方向为上正下负　　根据变压器的同名端和接线方式，则开关管Q1的栅极电压为正，Q2的栅极电压为负因此，此时是驱动QM1导通反之若是PWM1为高电平，PWM2为低电平时，则是驱动Q2导通四只二极管DQ1 ～DQ2的作用是消除反电动势对TCA422的影响　　（3）辅助电源电路　　本开关电源电路设计过程中所需要的几路工作电源如下：　　① TMS320LF2407 DSP所需电源：I／O 电源（3.3 V），PLL（PHSAELOCKED LOOP）电源（3.3 V），FIASH编程电压（5 V），模拟电路电源电压（3.3 V）；②TCA422芯片所需电源：电源端电压范围4.5～18 V（选择15 V）；③采样电路中所用的工作电源为15 V　　因此，整个控制电路需要提供15 V、5 V和3.3 V三种制式的电压设计中选用深圳安时捷公司的HAw 5- AC／DC模块将220 V、50 Hz的交流电转换成24 V直流电，然后采用三端稳压器7815和7805获得15 V和5 V的电压。

TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通过电压芯片得到4）采样电路　　电压采样电路由三端稳压器和光电之问的配合来构成电路设计如图5所示，TL431与PC817一次侧的LED串联，TL431阴极流过的电流就是LED的电流输出电压Ud经分压网络后到参考电压UR与TL431中的2.5 V基准电压Uref进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流 If发生变化，再通过将变化的电流信号转换为电压信号送人LF2407A的ADCIN00引脚图5.电压采样电路原理图 由于TMS320LF2407A的工作电压为3.3 V，因此输入DSP的模拟信号也不能超过3.3 V为防止输入信号电压过高造成A／D输入通道的硬件损坏，我们对每一路A／D通道设计了保护电路，如图5所示，Cu2，CU3 起滤波作用，可以将系统不需要的高频和低频噪声滤除掉，提高系统信号处理的精度和稳定性　　另外，采用限制输入电压幅值，同时输入电压通过二极管与3.3 V电源相连，以吸收瞬间的电压尖峰　　当电压超过3.3 V时，二极管导通，电压尖峰的能量被与电源并联的众多滤波电容和去耦电容吸收并联Ru4的目的是给TL431提供偏置电流，保证TL431至少有1 mA的电流流过。

Cu1 和RU3作为反馈网络的补偿元件，用以优化系统的频率特性　　电流采样的原理与电压采样类似，只是在电路中要通过电流将电流信号转换为电压信号，然后再进行采集　　（5）保护电路　　为保证系统中功率转换电路及逆变电路能安全可靠工作，TMs320LF2407A提供了,各种故障信号经或门综合后，经光电隔离、反相及电平转换后输入到引脚，有任何故障时，CD4075B输出高电平，引脚相应被拉为低电平，此时DSP所有PWM输出管脚全部呈现高阻状态，即封锁PWM输出整个过程不需要程序干预，由硬件实现这对实现各种故障信号的快速处理非常有用在故障发生后，只有在人为干预消除故障，重启系统后才能继续工作3 系统的软件实现为了构建DSP控制器软件框架，使程序易于编写、查错、测试、维护、修改、更新和扩充，在软件设计中采用了模块化设计，将整个软件划分为初始化模块、ADC信号采集模块、PID运算处理模块、PWM波生成模块、液晶显示模块以及按键扫描模块各模块间的流程如图6所示图6.功能模块流程图3.1 初始化模块　　系统初始化子程序是系统上电后首先执行的一段代码，其功能是保证主程序能够按照预定的方式正确执行系统的初始化包括所有DSP的基本输入输出单元的初始设置、LCD初始化和外扩单元的检测等。

3.2 ADC采样模块　　TMS320LF2407A芯片内部集成了10位精度的带内置采样／保持的模数转换模块（ADC）根据系统的技术要求，10位ADC的精度可以满足电压的分辨率、电流的分辨率的控制要求，因此本设计直接利用DSP芯片内部集成的ADC就可满足控制精度另外，该10位ADC是高。