0 引 言

　　信息時代離不開電子設(shè)備,，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,，電子設(shè)備的種類與日俱增，與人們的工作,、生活的關(guān)系也日益密切,。任何電子設(shè)備又都離不開可靠的供電電源，它們對電源供電質(zhì)量的要求也越來越高,。

　　目前,，開關(guān)電源以具有小型、輕量和高效的特點而被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中,，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源,。與之相應(yīng)，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動下,，DSP芯片的發(fā)展日新月異,，因此基于DSP芯片的開關(guān)電源擁有著廣闊的前景，也是開關(guān)電源今后的發(fā)展趨勢,。

　　1 電源的總體方案

　　本文所設(shè)計的開關(guān)電源的基本組成原理框圖如圖1所示,，主要由功率主電路、DSP控制回路以及其它輔助電路組成,。

　　開關(guān)電源的主要優(yōu)點在“高頻”上。通常濾波電感、電容和變壓器在電源裝置的體積和重量中占很大比例,。從“電路”和“電機學(xué)”的有關(guān)知識可知,，提高開關(guān)頻率可以減小濾波器的參數(shù)，并使變壓器小型化,，從而有效地降低電源裝置的體積和重量,。以帶有鐵芯的變壓器為例，分析如下：

圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　設(shè)鐵芯中的磁通按正弦規(guī)律變化,，即φ= φMsinωt,，則：

　　式中，EM= ωWφ M="2"πfWφM,，在正弦情況下,，EM=√2E，φM=BMS,，故：

　　式中,，f為鐵芯電路的電源頻率；W 為鐵芯電路線圈匝數(shù),；BM為鐵芯的磁感應(yīng)強度,；S為鐵芯線圈截面積。

　　從公式可以看出電源頻率越高,，鐵芯截面積可以設(shè)計得越小,，如果能把頻率從50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍,，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍,，這樣可以大大減小電源的體積。

　　綜合電源的體積,、開關(guān)損耗以及系統(tǒng)抗干擾能力等多方面因素的考慮,，本開關(guān)電源的開關(guān)頻率設(shè)定為30 kHZ。

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　2.1 功率主電路

　　本電源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”變換的結(jié)構(gòu),，主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器,、輸人整流濾波電路、高頻逆變電路,、高頻變壓器,、輸出整流濾波電路等幾部分組成，如圖2所示,。

圖2 功率主電路原理圖

　　其基本工作原理是：交流輸入電壓經(jīng)EMI濾波,、整流濾波后得到直流電壓，通過高頻逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓,，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換,，輸出所需的高頻交流電壓,，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量,、高品質(zhì)的直流電壓,。如圖3所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。

圖3 功軍主回路的電壓波形變化

　　本開關(guān)電源采用半橋式功率逆變電路,。如圖2所示,，輸入市電經(jīng)EMI濾波器濾波，大大減少了交流電源輸入的電磁干擾,，并同時防止開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端,。再經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P,、N兩點問,。P、N之間接人一個小容量,、高耐壓的無感電容,，起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似,，只是其中兩個功率開關(guān)器件改由兩個容量相等的電容CA1和CA2代替,。在實際應(yīng)用中為了提高電容的容量以及耐壓程度，CA1和CA2往往采用的是由多個等值電容并聯(lián)組成的電容組,。C A1,、CA2 的容量選值應(yīng)在電源體積和重量允許的條件下盡可能的大，以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩,。CA1 和CA2 在這里同時起到了靜態(tài)時分壓的作用,，使Ua =Uin／2。

　　在本電源的設(shè)計中,，采用IGBT來作為功率開關(guān)器件,。它既具有MOSFET的通斷速度快、輸入阻抗高,、驅(qū)動電路簡單及驅(qū)動功率小等優(yōu)點,，又具有GTR的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點。

　　在IGBT的集射極間并接RC吸收網(wǎng)絡(luò),，降低開關(guān)應(yīng)力,，減小IGBT關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓；并聯(lián)二極管DQ實現(xiàn)續(xù)流的作用,。二次整流采用全波整流電路,，通過后續(xù)的LC濾波電路，消除高頻紋波,，減小輸出直流電壓的低頻振蕩,。LC濾波電路中的電容由多個高耐壓,、大容量的電容并聯(lián)組成，以提高電源的可靠性,，使輸出直流電壓更加平穩(wěn),。

　　2.2 控制電路

　　控制電路部分實際上是一個實時檢測和控制系統(tǒng)，包括對開關(guān)電源輸出端電壓,、電流和IGBT溫度的檢測，對收集信息的分析和運算處理,，對電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等,。其控制過程主要是通過采集開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)，送入DSP芯片進行預(yù)定的分析和計算,，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù),，通過改變輸出PWM波的占空比，送到逆變橋開關(guān)器件的控制端,，從而控制輸出電壓和電流,。

　　控制電路主要包括DSP控制器最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路,、輔助電源電路,、采樣電路和保護電路。

　　（1）DSP控制器最小系統(tǒng)

　　DSP控制器是其中控制電路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片,，它是美國TEXAS INSTU—MENTS（TI）公司的最新成員,。TMS30LF2407A基于C2xLP內(nèi)核，和以前C2xx系列成員相比,，該芯片具有處理性能更好（30MIPS）,、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大,、A／D轉(zhuǎn)換速度更快等特點,，是電機數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品，特別適用于電機以及逆變器的控制,。DSP控制器最小系統(tǒng)包括時鐘電路,、復(fù)位電路以及鍵盤顯示電路。時鐘電路通過15 MHz的外接晶振提供,；復(fù)位電路直接通過開關(guān)按鍵復(fù)位,；由4×4的矩陣式鍵盤和SPRT12864M LCD構(gòu)成了電源系統(tǒng)的人機交換界面。

　　（2）驅(qū)動放大電路

　　IGBT的驅(qū)動電路采用脈沖變壓器和TC4422組成,，其電路原理圖如圖4所示：

圖4 IGBT驅(qū)動電路原理圖

　　由于TMS320LF2407A的驅(qū)動功率較小,，不能勝任驅(qū)動開關(guān)管穩(wěn)定工作的要求，因此需要加上驅(qū)動放大電路,，以增大驅(qū)動電流功率,，提高電源系統(tǒng)的可靠性,。如圖4所示，采用兩片TCA422組成驅(qū)動放大電路,。

　　TC4421／4422是Microchip公司生產(chǎn)的9A高速MOsFET／IGBT驅(qū)動器,，其中TC4421是反向輸出，TC4422是同向輸出,，輸出級均為圖騰柱結(jié)構(gòu),。

　　TC4421／4422具有以下特點：

　　①輸出峰值電流大：9 A,；

　?、?電源范圍寬：4.5 V～18 V；

　?、圻B續(xù)輸出電流大：最大2 A,；

　　④快速的上升時間和下降時間：30 ns（負載4700pF）,，180 ns（負載47000 pF）,；

　　⑤傳輸延遲時間短：30 ns（典型）,；

　?、薰╇婋娏餍。哼壿?ldquo;1”輸入～200μA（典型）,，邏輯“0”輸入～55 μA（典型）,；

　　⑦輸出阻抗低：1.4 Ω（典型）,；

　?、嚅]鎖保護：可承受1.5 A的輸出反向電流；

　?、彷斎攵丝沙惺芨哌_5 V的反向電壓,；

　　⑩能夠由TTL或CMOS電平（3 V～18 V）直接驅(qū)動,，并且輸人端采用有300 mV滯回的施密特觸發(fā)電路,。

　　當(dāng)TMS320LF2407A輸出的PWM1為高電平，PWM2為低電平時,，經(jīng)過TCA422驅(qū)動放大后輸出,，在脈沖變壓器一次側(cè)所流過的電流從PWMA流向PWMB，如圖4中箭頭所示,，電壓方向為上正下負,。

　　根據(jù)變壓器的同名端和接線方式，則開關(guān)管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負,。因此,，此時是驅(qū)動QM1導(dǎo)通。反之若是PWM1為高電平,，PWM2為低電平時,，則是驅(qū)動Q2導(dǎo)通。四只二極管DQ1 ～DQ2的作用是消除反電動勢對TCA422的影響,。

　　（3）輔助電源電路

　　本開關(guān)電源電路設(shè)計過程中所需要的幾路工作電源如下：

　?、?TMS320LF2407 DSP所需電源：I／O 電源（3.3 V），PLL（PHSAELOCKED LOOP）電源（3.3 V）,，F(xiàn)IASH編程電壓（5 V）,，模擬電路電源電壓（3.3 V）；②TCA422芯片所需電源：電源端電壓范圍4.5～18 V（選擇15 V）,；③采樣電路中所用運算放大器的工作電源為15 V。

　　因此,，整個控制電路需要提供15 V,、5 V和3.3 V三種制式的電壓。設(shè)計中選用深圳安時捷公司的HAw 5-220524 AC／DC模塊將220 V,、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電,，然后采用三端穩(wěn)壓器7815和7805獲得15 V和5 V的電壓。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通過TPS7333QD電壓芯片得到,。

　?。?）采樣電路

　　電壓采樣電路由三端穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817之問的配合來構(gòu)成。電路設(shè)計如圖5所示,，TL431與PC817一次側(cè)的LED串聯(lián),，TL431陰極流過的電流就是LED的電流。輸出電壓Ud經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后到參考電壓UR與TL431中的2.5 V基準電壓Uref進行比較,，在陰極上形成誤差電壓,，使LED的工作電流 If發(fā)生變化，再通過光耦將變化的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送人LF2407A的ADCIN00引腳,。

圖5 電壓采樣電路原理圖

　　由于TMS320LF2407A的工作電壓為3.3 V,，因此輸入DSP的模擬信號也不能超過3.3 V。為防止輸入信號電壓過高造成A／D輸入通道的硬件損壞,，我們對每一路A／D通道設(shè)計了保護電路,，如圖5所示，Cu2,，CU3 起濾波作用,，可以將系統(tǒng)不需要的高頻和低頻噪聲濾除掉，提高系統(tǒng)信號處理的精度和穩(wěn)定性,。

　　另外,，采用穩(wěn)壓管限制輸入電壓幅值,，同時輸入電壓通過二極管與3.3 V電源相連，以吸收瞬間的電壓尖峰,。

　　當(dāng)電壓超過3.3 V時,，二極管導(dǎo)通，電壓尖峰的能量被與電源并聯(lián)的眾多濾波電容和去耦電容吸收,。并聯(lián)電阻Ru4的目的是給TL431提供偏置電流,，保證TL431至少有1 mA的電流流過。Cu1 和RU3作為反饋網(wǎng)絡(luò)的補償元件,，用以優(yōu)化系統(tǒng)的頻率特性,。

　　電流采樣的原理與電壓采樣類似，只是在電路中要通過電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,，然后再進行采集,。

　　（5）保護電路

　　為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及逆變電路能安全可靠工作，TMs320LF2407A提供了輸入信號,，利用它可以方便的實現(xiàn)逆變系統(tǒng)的各種保護功能,，具體實現(xiàn)框圖如圖6所示：

圖6 保護電路結(jié)構(gòu)框圖

　　各種故障信號經(jīng)或門CD4075B綜合后，經(jīng)光電隔離,、反相及電平轉(zhuǎn)換后輸入到引腳,，有任何故障時，CD4075B輸出高電平,，引腳相應(yīng)被拉為低電平,，此時DSP所有PWM輸出管腳全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，即封鎖PWM輸出,。整個過程不需要程序干預(yù),，由硬件實現(xiàn)。這對實現(xiàn)各種故障信號的快速處理非常有用,。在故障發(fā)生后,，只有在人為干預(yù)消除故障，重啟系統(tǒng)后才能繼續(xù)工作,。

　　3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

　　為了構(gòu)建DSP控制器軟件框架,，使程序易于編寫、查錯,、測試,、維護、修改,、更新和擴充,，在軟件設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計，將整個軟件劃分為初始化模塊、ADC信號采集模塊,、PID運算處理模塊,、PWM波生成模塊、液晶顯示模塊以及按鍵掃描模塊,。各模塊問的流程如圖7所示,。

圖7 軟件模塊流程圖

　　3.1 初始化模塊

　　系統(tǒng)初始化子程序是系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行的一段代碼，其功能是保證主程序能夠按照預(yù)定的方式正確執(zhí)行,。系統(tǒng)的初始化包括所有DSP的基本輸入輸出單元的初始設(shè)置,、LCD初始化和外擴單元的檢測等。

　　3.2 ADC采樣模塊

　　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,，因此本設(shè)計直接利用DSP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)換時間可達到500 ns,，也滿足控制對采樣周期要求。

　　ADC采樣模塊首先對ADC進行初始化,，確定ADC通道的級聯(lián)方式，采樣時間窗口預(yù)定標,，轉(zhuǎn)換時鐘預(yù)定標等,。然后啟動ADC采樣，定義三個數(shù)組依次存放電壓,、電流和溫度的采樣結(jié)果,，對每一個信號采樣8次，經(jīng)過移位還原后存儲到相應(yīng)的數(shù)組中,，共得到3組數(shù)據(jù),。如果預(yù)定的ADC中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序,，對采樣的數(shù)據(jù)進行分析,、處理和傳輸。以電壓采樣為例,，其具體的流程圖如圖8所示,。

圖8 電壓采樣程序流程圖

　　3.3 PID運算模塊

　　本系統(tǒng)借助DSP強大的運算功能，通過編程實現(xiàn)了軟件PID調(diào)節(jié),。由于本系統(tǒng)軟件中采用的是增量式PID算法,，因此需要得到控制量的增量△un ，式（3）為增量式PID算法的離散化形式：

　　開關(guān)電源在進入穩(wěn)態(tài)后，偏差是很小的,。如果偏差e在一個很小的范圍內(nèi)波動,，控制器對這樣微小的偏差計算后，將會輸出一個微小的控制量,，使輸出的控制值在一個很小的范圍內(nèi),，不斷改變自己的方向，頻繁動作,，發(fā)生振蕩,，這既影響輸出控制器，也對負載不利,。

　　為了避免控制動作過于頻繁,，消除由于頻繁動作所引起的系統(tǒng)振蕩，在PID算法的設(shè)計中設(shè)定了一個輸出允許帶eo,。當(dāng)采集到的偏差|en|≤eo時,，不改變控制量，使充電過程能夠穩(wěn)定地進行,；只有當(dāng)|en| >eo 時才對輸出控制量進行調(diào)節(jié),。PID控制模塊的程序流程如圖9所示：

圖9 PID運算程序流程圖

　　3.4 PWM 生成模塊

　　TMS320LF2407A內(nèi)部包括兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器GP,、比較單元,、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。通過TMS320LF2407A事件管理模塊中的比較單元可以產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM波,，與PWM 波產(chǎn)生相關(guān)的寄存器有：比較寄存器CMPRx,、定時器周期寄存器Tx—PR、定時器控制寄存器TxCON,、定時器增／減計數(shù)器TxCNT,、比較控制寄存器COMCONA／B、死區(qū)控制寄存器DBTCONA／B,。

　　PWM波的生成需對TMS320LF2407A的事件管理模塊中的寄存器進行配置,。由于選用的是PWM1／2，因此配置事件管理寄存器組A,，根據(jù)需要生成帶死區(qū)PWM波的設(shè)置步驟為：

　?。?）設(shè)置并裝載比較方式寄存器ACTRA，即設(shè)置PWM波的輸出方式,；

　?。?）設(shè)置T1CON寄存器，設(shè)定定時器1工作模式,，使能比較操作,；

　?。?）設(shè)置并裝載定時器1周期寄存器T1PR，即規(guī)定PWM 波形的周期,；

　?。?）定義CMPR1寄存器，它決定了輸出PWM 波的占空比,，CMPR1中的值是通過計算采樣值而得到的,；

　　（5）設(shè)置比較控制寄存器COMCONA,，使能PD—PINTA 中斷,；

　　（6）設(shè)置并裝載死區(qū)寄存器DBTCONA,，即設(shè)置死區(qū)時間,。

圖10所示為帶死區(qū)PWM波的生成原理

　　3.5 鍵盤掃描及LCD顯示模塊

　　按鍵掃描執(zhí)行模塊的作用是判斷用戶的輸入，對不同的輸入做出相應(yīng)的響應(yīng),。本開關(guān)電源設(shè)計采用16個壓電式按鍵組成的矩陣式鍵盤構(gòu)成系統(tǒng)的輸入界面,。16個按鍵的矩陣式鍵盤需要DSP的8個I／O口，這里選用IOPA0～IOPA3作為行線,，IOPF0～IOPF3作為列線,。由于TMS320LF2407A都是復(fù)用的I／O口，因此需要對MCRA和MCRC寄存器進行設(shè)置使上述8個I／O口作為一般I／O端口使用,。按鍵掃描執(zhí)行模塊采用的是中斷掃描的方式,，只有在鍵盤有鍵按下時才會通過外部引腳產(chǎn)生中斷申請，DSP相應(yīng)中斷,，進人中斷服務(wù)程序進行鍵盤掃描并作相應(yīng)的處理,。

　　LCD顯示模塊需要DSP提供11個I／O口進行控制，包括8位數(shù)據(jù)線和3位控制線,，數(shù)據(jù)線選用IOPB0～IOPB7，控制線選用IOPFO IOPF2,，通過對PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的設(shè)置實現(xiàn)DSP與LCD的數(shù)據(jù)傳輸,，實時顯示開關(guān)電源的運行狀態(tài)。

　　4 樣機研制

　　主要技術(shù)指標如下：輸入電壓：三相AC380 V±5% ,；輸出電壓：DC220V±2% ,；輸出電流：50 A；額定功率：11 kW,。

　　所得試驗樣機額定負載時的輸出波形如圖11（a）所示,。由圖11（a）實際讀數(shù)可知，輸出電壓從0上升到220 V的響應(yīng)時間為1s左右,，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度,。同時,，由圖11（b）中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為220 V時,，電壓波動在2 V左右,，其最大電壓波動小于1%。

圖11 樣機額定負載時的輸出波形

　　5 結(jié)論

　　本文介紹的基于DSP的大功率高頻開關(guān)電源,，充分發(fā)揮了DSP強大功能,，可以對開關(guān)電源進行多方面控制，并且能夠簡化器件,，降低成本,，減少功耗，提高設(shè)備的可靠性,。試驗數(shù)據(jù)表明指標滿足設(shè)計要求,，本電源均能夠保持良好的輸出性能。