一種基于DSP控制的數(shù)字開關電源設計

2.1輸入部分設計
輸入部分設計主要包括輸入整流器/濾波器部分的設計和輸入濾波電容的設計。輸入整流/濾波電路通常由三到五部分組成：EMI濾波器、啟動浪涌電流限制器、整流級和輸入濾波電容[7]，如圖2所示。

首先選擇輸入整流器，整流器通常采用橋式二極管整流。要考慮的主要參數(shù)是：正向平均電流，浪涌電流，直流擊穿電壓，預期的耗散功率。在電路啟動時，浪涌電流可能高于正常工作時輸入電流值的10倍。因此，一般在電源的輸入端接一個熱敏電阻，以保護整流器。熱敏電阻低溫時的阻值在（6-12）V，加熱后電阻值一般只有（0.5-1）V。
通過輸入整流器的電流有效值是熱設計時要考慮的，這會使整流器發(fā)熱更加嚴重。綜合考慮以上因素，最小的二極管等級要符合下面條件：

由以上三式可得出整流二極管應選的型號。接下來要計算輸入濾波電容器的值。為計算輸入濾波電容器的值，先要確定電源直流輸入端所承受的紋波電壓。要使電壓紋波越小，電容就要選的越大，這樣上電時的電流浪涌也更大。濾波電容的選擇有三個主要方面要考慮：能滿足期望電壓紋波的電容值，電容的額定電壓，電容的額定紋波電流。對于DC-DC變換器紋波電壓峰值設計為（0.1-0.5）V。輸入電容的大小可以從下式得到

2.2主電路設計
主電路主要包括電感、功率開關管。因此，選擇好主電路的電感和功率開關管，再設計好主電路的驅(qū)動，主電路設計基本完成。
電感的最小值一般由所需維持的最小負載電流的要求來決定。電感中的電流分連續(xù)和不連續(xù)兩種工作情況，只要輸入、輸出電壓保持不變，電流波形的斜率不會因負載電流的減少而改變。如果負載電流逐步降低，在L中的波動電流最小值剛好為0時，定義此時電流為臨界電流，等于電流峰-峰值的一半，即

當時，將進入電流不連續(xù)狀態(tài)，否則為連續(xù)狀態(tài)。盡管BUCK變換器可工作于不連續(xù)模式，但給多路輸出變換器帶來一定問題。一般電感選擇應保證一直到輸出最小規(guī)定電流（通常為額定電流的1/10）時電感電流仍連續(xù)，故應大于使最小負載電流連續(xù)的臨界值；電感是儲能元件，過大會降低電源的動態(tài)性能，而且會限制負載出現(xiàn)較大瞬時變化時的電流變化率，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)變慢，所以不宜選大。
功率開關管通常選擇絕緣柵型MOS管，因為是利用柵極電壓控制漏極電流，其顯著特點是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關速度快，工作頻率高，但其電流容量小，耐壓低，一般用于小功率裝置。MOS管的耐壓值、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOS管的安全工作區(qū)，選擇MOS管時應以此為依據(jù)。
開關管選定之后，相繼進行開關管驅(qū)動電路的設計。設計開關管的驅(qū)動以所選開關管的技術參數(shù)為主要依據(jù)同時綜合考慮其他電路器件，使電路盡量簡單。
2.3采樣電路設計
采樣電路包括電流采樣和電壓采樣[5]。傳統(tǒng)的電流采樣電路一般是用康銅絲或錳銅絲或者電流傳感器采樣后把信號送入放大器，這種方案，精確度不高，而且操作不夠簡單。本設計采用的是將電流傳感器和放大器集成在一起的美信公司生產(chǎn)的MAX4173FASA芯片。此芯片為8引腳SOT23-6封裝，它成本低，具有緊密的電流傳感器，可使用的電壓范圍是（0-28）V，精確度為0.5%，具有1.7MHz的帶寬，可在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)工作。
傳統(tǒng)的電壓采樣電路都是由電阻和功率放大器組成，一般來說是先由兩個電阻分壓，再經(jīng)過一個功率放大器將增量放大。本設計仍采用這種方法，不同的是電阻分壓后不需要再用功率放大器，因為這部分功能可以用軟件在程序里實現(xiàn)。采樣電路的示意圖如圖3所示。

2.4保護電路設計
本設計的保護主要在軟件中完成，硬件部分通過前饋采集輸入電壓，又通過采樣電路采集輸出電壓和電流。然后，將采樣值送到DSP芯片中，由軟件具體實現(xiàn)。
使用數(shù)字控制的一大優(yōu)勢是可以利用靈活的軟件程序來代替復雜的硬件保護電路[3]。程序中分別有可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩種方式。其中，不可屏蔽中斷通常針對程序或系統(tǒng)配置的錯誤，在任何情況下監(jiān)測到此中斷，程序都會使輸出禁止，以保護電路及器件?？善帘沃袛嗤ǔａ槍Τ绦蜻\行中的過流、過壓、欠壓等情況進行處理，目的是保證對系統(tǒng)的指標要求，如：輸出電壓不得低于要求的5%等，此種中斷一般不會使程序終止，而是用一定的算法處理，使指標恢復。

2.5控制電路設計
控制電路是整個數(shù)字電源的核心，它不僅可以處理輸入、輸出部分的采樣、保護整個電路而且還能通過控制PWM輸出來驅(qū)動整個電路?？刂菩酒倪x擇至關重要，好的控制芯片不僅外圍電路設計很簡單，而且，功率損耗較小，電源效率很高，穩(wěn)定性好。本設計采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的高性能控制芯片DSPIC30F1010/2020。該芯片為28腳雙列直插塑料封裝，工作頻率可達500kHz，啟動和工作電流低，具有鎖存脈寬調(diào)制和逐周限流、欠壓鎖定等特點，電壓調(diào)整精度高，占空比控制方便，適用于小功率開關電源。其外圍電路設計如圖4所示。

3基于BUCK拓撲的數(shù)字開關電源的軟件設計
硬件電路設計是保障數(shù)字開關電源正常工作的前提，但軟件設計則是數(shù)字開關電源的動力。本設計采用的是PID控制方法。其程序框圖如圖5所示。

4仿真和實際電路調(diào)試
為驗證設計方案的正確性，作者對BUCK拓撲數(shù)字控制電源進行了計算機仿真并制作了實際的電路板進行調(diào)試。仿真軟件采用美國MICROCHIP公司開發(fā)的高效、方便實用的軟件MINDI5.4。圖6、圖7分別為不同輸入電壓下的輸出電壓波形。由仿真波形可知，當在程序中改變電源輸入電壓時，電源的輸出電壓按照預定值進行相應的改變而且都是恒定的。

在仿真的基礎上，制作了實際的電路板進行了實際電路的測試，測試波形如圖8、圖9所示。由波形可以看出，無論是16V還是24V時電源的輸出電壓都很穩(wěn)定，從而可以表明數(shù)字控制技術在開關電源中應用是可行的。

5結(jié)束語
（1）數(shù)字控制技術在開關電源中應用是可行的。
（2）開關電源引入數(shù)字控制技術后可以大大減少在模擬電源中常見的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、非線性不易補償?shù)葐栴}，可以很好的提高開關電源的靈活性和適應性，其穩(wěn)定的控制參數(shù)使得產(chǎn)品個體無須精細調(diào)節(jié)即可獲得很好的一致性，可靠性好，可生產(chǎn)性好。

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