基于DSP的PWM型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)及工作原理分析與仿真驗(yàn)證

目前,開關(guān)電源以具有小型、輕量和高效的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主異的各種終端設(shè)備和通信設(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方式.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,功能日益強(qiáng)大,性價比不斷上升,開發(fā)手段不斷改進(jìn),其處理速度比CPU快10～15倍,因此基于DSP芯片的開關(guān)電源可以說是天作之保,擁有著廣闊的前景,可用于選進(jìn)的機(jī)載電源中,也是開關(guān)電源今后的發(fā)展趨勢.

1 PWM型開關(guān)電源原理

PWM型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

市電信號經(jīng)過輸入濾波和整流濾波后實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換,將電網(wǎng)交流電直接整流為較平滑的直流電,以供下一級變換;再經(jīng)過逆變器后實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換,將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟?這是PWM型開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)PWM控制的核心部分,其頻率越高,體積、重量與輸出功率之比越小.最后在通過輸出整流與濾波,根據(jù)負(fù)載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源.

2 PWM控制原理

開關(guān)電源控制原理圖如圖2所示.圖中,開關(guān)K以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開,在開關(guān)K接通時,輸入電源E可通過開關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL為負(fù)載提供能量;為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量,開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置,在開關(guān)接通時將一部分能力儲存起來,在開關(guān)斷開時,向負(fù)載釋放[4].圖2中,由電感L、電容C2用以儲存能量,在開關(guān)斷開時,儲存在電感L和C2中的能量通過二極管D釋放給負(fù)載,使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量.因二極管D使負(fù)載電流連續(xù)不斷,所以稱為續(xù)流二極管.AB間的電壓平均值EAB可表示為:

EAB=TON|Tmes;E (1)

式中,TON為開關(guān)每次接通的時間,T為開關(guān)通斷的工作周期(即開關(guān)拉通時間TON和關(guān)斷時間TOFF之和).由

式(1)可知,開關(guān)接通時間和工作周期的比例改變,AB間電壓的平均值也隨之改變,因此,隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整TON和T的比例,便能使輸出電壓V0維持不變.改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比,這種方法為“時間比率控制”(me Rao Control,縮寫為TRC)[1].這里按照TRC原理選擇了開關(guān)周期T恒定,通過改變脈沖寬度TON來改變占空比,這種方式稱為脈寬調(diào)制方式(PWM),用來實(shí)現(xiàn)對電壓幅值頻率的控制.

3 DSP芯片TMS320LF2407簡介

TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時信號處理而設(shè)計(jì)的,該系列DSP集實(shí)時處理能力和控制外設(shè)功能于一身,為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了理想的解決方案.

TMS320LF2407在TMS320 系列的基礎(chǔ)上有以下特點(diǎn)[2]:

(a) 高性能10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的轉(zhuǎn)換時間為500ns,提供多達(dá)16路的模擬輸入.

(b) 基于TMS320C2xx第洌的CPU核保證了其與TMS320系列DSP的代碼兼容.

(c) 具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB,每個均可提供兩個16位通用定時器和八個16位的PWM通道.

(d) 高達(dá)24K的FLASH程序存儲器.

(e) 可擴(kuò)展外部存儲器.

(f) 五個外部中斷(兩個驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩上可屏蔽中斷).

4 利用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)SPWM

4.1 SPWM控制的基本原理

所謂SPWM即PWM中脈沖寬度按正弦規(guī)律變化.由采樣理論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上,其效果基本相同可知,為了在輸出端得到正弦波,就需要輸出一系列幅值相等而寬度不等的矩形波.采用三角載波的規(guī)則采樣法,就可以得到寬度按正弦規(guī)律變化的矩形波.如圖3所示,每個脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波的中點(diǎn)對稱,在三角載波的負(fù)峰時刻TD對正弦波采樣得到D點(diǎn),過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn),在A點(diǎn)時刻tA和B點(diǎn)時刻tB控制功率器件的通斷.可見AB長度即為脈沖寬度,由圖可得如下關(guān)系式:

AB=Tc(1+sinωctD)/2 (2)

根據(jù)這一關(guān)系式可知,如果一個周期內(nèi)有N個矩形波,則第I個矩形波的占空比為:

4.2 利用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)SPWM控制

這里以EVB中的通用定時器3及與之相關(guān)的比較單元為例來說明實(shí)現(xiàn)SPWM控制的過程.

TMS320LF2407中EVB的定時器3個有三個與之相關(guān)的比較單元:比較單元4、5、6,每個比較單元都有一個相應(yīng)的比較寄存器:CMPR4、CMPR5和CMPR6.每個比較單元都可單獨(dú)設(shè)置成比較模式和PWM模式,設(shè)置為PWM模式時,每個比較單元有兩個極性相反的PWM輸出.因此利用TMS320LF2407可實(shí)現(xiàn)對三相橋式逆變電路的SPWM控制.在周期寄存器T3PR的值一定的情況下,通過改變比較寄存器的值就可以改變輸出矩形脈沖的寬度[3].

根據(jù)式(3)所得的占空比表達(dá)式,再利用通用定時器比較單元的PWM特性,就可以很容易地實(shí)現(xiàn)SPWM.首先介紹一下產(chǎn)生PWM的寄存器設(shè)置,其步驟如下:

(1) 裝載比較方式控制寄存器ACTRB.

(2) 如果使能死區(qū),則設(shè)置和裝載死區(qū)時間控制寄存器DBTCONB(如使能則可避免上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖.)

(3) 設(shè)備和裝載定時器3周期寄存器,即規(guī)定PWM波形周期.

(4) 初始化EVB的比較寄存器CMPR4、CMPR5、CMPR6.

(5) 設(shè)置和裝載定時器3的控制寄存器T3CON.

(6) 更新比較寄存器的值,使輸出的PWM波形占空比發(fā)生變化.

具體的程序設(shè)計(jì)方法如下:

(1) 系統(tǒng)初始化后根據(jù)載波頻率和信號頻率計(jì)算出每個周期需要輸出的矩形波個數(shù),從而確定定時器的周期,以設(shè)置頻率參數(shù)及脈沖個數(shù).

(2) 根據(jù)式(3)計(jì)算出每個矩形脈沖的占空比,用占空比乘以周期寄存器的值,從而計(jì)算出比較寄存器的值.該過程作為計(jì)算子程序,并使脈沖指針個數(shù)I加1.

(3) 在周期中斷子程序中將計(jì)算所得出的比較寄存器的值送到比較寄存器,當(dāng)達(dá)到一次載波周期時置相應(yīng)的標(biāo)志位.

(4) 主程序根據(jù)標(biāo)志位來判斷是否已完成一個周期的操作.如果標(biāo)志位TC上已置1,則清標(biāo)志位,調(diào)計(jì)算占空比子程序,然后進(jìn)入等待狀態(tài);如果標(biāo)志位上未置1,則直接進(jìn)入等待狀態(tài).其主程序流程圖如圖4所示.

雖然利用單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)SPWM,但運(yùn)用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及其速度優(yōu)熱可以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時性,滿足逆變電源更高的要求,為電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供必要的軟硬件基礎(chǔ).其與單機(jī)的性能比較見表1.

5 仿真結(jié)果

在軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合硬件,得到了在eclectonics workbench環(huán)境下經(jīng)正弦調(diào)調(diào)制而未整流濾波的仿真結(jié)果,如圖5、6、7所示.

由圖5、圖6比較可以看到,輸出電壓頻率為40Hz,負(fù)載分別在10Ωt和10kΩ時輸出的波形為很好的正弦波,頻率符合要求,可見負(fù)載的變化對輸出結(jié)構(gòu)影響不大;由圖5圖7可以看到,當(dāng)負(fù)載為10Ω時,輸出電壓頻率分別在40Hz和400Hz時的輸出波形變化不大,可見頻率變化對輸出波形影響也不大.

由仿真結(jié)果可以看到基于DSP芯片的PWM型開關(guān)電源系統(tǒng)具有穩(wěn)定快、失真小、負(fù)載對系統(tǒng)影響小等特點(diǎn),而且頻率可在軟件部分調(diào)整,這為其應(yīng)用于對精度要求高的尖端電子設(shè)備提供了保障.