數(shù)字控制的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

　　引言

　　在高功率因數(shù)校正AC/DC電路中廣泛采用UC3842、UC3855A等專用控制芯片來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，而在移相全橋DC/DC電路中廣泛采用TL494、UC3875等專用電源芯片來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，特定的電源芯片本身不可編程、可控性較差、難以擴(kuò)展以及不易升級維修，同時(shí)電源芯片為模擬控制芯片，具有模擬電路難以克服的由溫漂和老化所引起的誤差，無法保證系統(tǒng)始終具有高精度和可靠性，克服以上缺點(diǎn)可采用數(shù)字控制器DSP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制芯片。目前數(shù)字處理（DSP）技術(shù)逐漸成熟，新一代DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作，即程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器彼此獨(dú)立，在每一時(shí)鐘周期中完成取指、譯碼、讀數(shù)據(jù)以及執(zhí)行指令等多個(gè)操作，從而大大減少指令執(zhí)行周期。另外，由于其特有的寄存器結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的尋址方式，靈活的指令系統(tǒng)及其強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，使得DSP不僅運(yùn)算能力較單片機(jī)有了較大地提高，而且在該處理器上更容易實(shí)現(xiàn)高級語言。正是由于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超強(qiáng)的運(yùn)算能力，使得以前需要硬件才能實(shí)現(xiàn)的功能可移植到DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)，使數(shù)字信號處理中的一些理論和算法可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

　　1 數(shù)字控制開關(guān)電源系統(tǒng)

　　該通信開關(guān)電源主要由主電路和控制電路組成，主電路主要由單相高功率因數(shù)校正AC/DC變換電路和移相全橋軟開關(guān)DC/DC變換電路組成，它包括單相交流輸入電源、濾波網(wǎng)絡(luò)、整流電路、Boost高功率因數(shù)校正電路和移相全橋變換電路?？刂齐娐分饕―SP數(shù)字控制器，它由DSP、驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路、保護(hù)電路以及輔助電源電路組成。系統(tǒng)主電路和控制電路原理框圖如圖1所示，圖1中E表示輸入電壓及電感電流、輸出電壓及電流和主開關(guān)管漏極電壓、采樣電路；B表示功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路；F表示輸出電壓及電流、原邊電感電流和4個(gè)開關(guān)管漏極電壓采樣電路。

　　1.1 單相功率因數(shù)校正AC/DC變換電路

　　單相功率因數(shù)校正AC/DC變換電路采用Boost型ZVT-PWM變換器，其電路圖如圖2所示。該電路能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S的零電壓開通和二極管D的零電流關(guān)斷。

　　1.2 移相全橋軟開關(guān)DC/DC變換電路

　　移相全橋軟開關(guān)DC/DC變換電路采用如圖3所示的全橋DC/DC變換器。

　　1.3 基于DSP的硬件電路設(shè)計(jì)

　　針對TMS320F2812為核心的數(shù)字控制電路如圖4所示。從圖4中可以看出，控制系統(tǒng)主要包括以下幾部分：DSP及其外圍電路、信號檢測與調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。

　　其中，信號檢測與調(diào)理電路主要完成對圖2輸入電流和電壓采樣、A/D等功能，DSP產(chǎn)生脈沖信號然后通過D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)圖2，3的功率開關(guān)管。

　　1.4 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

　　DSP數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較之模擬控制更為高級而且復(fù)雜的策略，與模擬控制電路相比較，數(shù)字控制電路擁有更多的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字PID系統(tǒng)相對于模擬PID系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短、靈活多變易于實(shí)現(xiàn)模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖如5所示。主程序的作用：初始化，其中包括給控制寄存器賦初值，這時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)鐘開CAP1INT、CAP2INT中斷，在等待中斷的空閑時(shí)間內(nèi)采集輸出信號，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位為1.為保證程序的正常運(yùn)行要禁止看門狗，設(shè)置PWM信號的頻率和死區(qū)時(shí)間，設(shè)置通用定時(shí)器1和2的控制寄存器，設(shè)置捕獲控制寄存器檢測下降沿。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

　　設(shè)交流輸入電壓220V，輸出電壓為48V，輸出功率為1000W，效率為95%，變換器工作頻率為100kHz.

　　2.1 單相功率因數(shù)校正AC/DC變換器升壓電感計(jì)算

　　Boost升壓電感的計(jì)算必須是在最差的情況下得到，即輸入最低電壓，而輸出滿載的時(shí)候來確定，其輸入電流：

　　允許的紋波電流一般是取輸入電流的20%，即：

　　在最低線電壓時(shí)最小占空比為：

　　由電磁感應(yīng)的基本公式推導(dǎo)出臨界電感為：

　　因此可取升壓電感L=470H.

　　2.2 移相全橋軟開關(guān)變換器濾波輸出電容計(jì)算

　　選擇輸出電容時(shí)，電容的輸出電壓維持時(shí)間非常重要。當(dāng)輸入能量截止時(shí)，要求電容電壓仍可維持在某特定范圍內(nèi)，輸出濾波電容由以下公式計(jì)算：

　　2.3 仿真結(jié)果及分析

　　為了驗(yàn)證基于DSP控制數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)的可行性和參數(shù)選擇的正確性，利用Pspice軟件對圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真波形圖如圖6，7所示。圖6為輸入交流電壓和電流仿真波形圖，從圖6中能清楚的看到輸入電流很好跟隨交流輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。圖7所示為輸出電壓仿真波形，從圖7中可以看到輸出為一條比較光滑的48V直流電壓。仿真結(jié)果跟理論計(jì)算的結(jié)果完全符合，達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　最后，設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的功率因數(shù)校正實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，該圖為輸入電壓和輸入電流波形，波形顯示了輸入電流很好的跟隨了輸入電壓，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在通信開關(guān)電源中用數(shù)字控制器代替模擬控制器是可行的。

　　3 結(jié)語

　　數(shù)字開關(guān)電源相對模擬開關(guān)電源，具有不可比擬的優(yōu)勢，如減少電源的體積和重量，提高控制精度以及維修升級方便。

　　隨著控制理論與實(shí)施手段的不斷完善以及DSP價(jià)格不斷的降低，數(shù)字控制開關(guān)電源將成為今后一個(gè)重要的研究方向。