工学]基于dsp的反激式数字开关电源的设计

工学]基于dsp的反激式数字开关电源的设计内容摘要：

止时间 Toff 来稳定输出电压 的。 在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器 (例如压控振荡器 vco)改变频率。 具有 PFM 控制的开关电源的结构框图如图 29 所示。 PFM 控制的基本原理是 :当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。 波形如图 210 所示。 调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载。 PFM 控制模式的主要缺点是开关周期成为负载的函数，开关转换器显得比较无序，并且开关噪声无法预测，负载调整范围窄，滤波成本高。 这在无线 通信领域就不是很合适。 但是，在很多待机的情况下，选择 PFM 是非常合适的。 比如，便携式移动系统在接收发送信号时，选择 PWM 工作模式，因为 PWM 开关噪声频谱比较好控制，在待机的情况下，选择 PFM 工作模式，就可以提高系统的效率。 目前 PFM 控制方式在开关电源中使用己经比较普遍，可以实现快速的上升时间和输出电压超调量的消除，具有以下优点 :具有较小的静态电压，静态功耗很小，在轻负载时的输入电流比 PWM 控制小 10 至 100 倍，效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。 具有 PFM 功能的集成芯片有 MAX64 TL49 UC1864 等。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 6 页 图 29 PFM 控制的开关电源的结构框图 图 210 PFM 控制方式波形图 (3) PWMPFM 混合控制方式 PWM 控制是靠改变开关管的导通时间 ton。 与周期 T(周期不变 )之比来稳定输出电压的，PFM 控制是保持开关管的导通时间 ton。 一定，通过改变其截止时间 toff 来稳定输出电压的。 而 PWMPFM 控制则是靠改变 ton。 和 toff 两个参数 (T=ton+toff 也同时变化 )来实现输出电压的稳定。 应该说脉冲频率控制 (PFM 升脉冲宽度控制 (PWM)混合控制电路是突破传统的一个近乎完美的结合。 采用 PFMPWM 混合控制方式的开关电源，当输入电压较低时执行 PWM 控制模式。 而输入电压较高时切换至 PFM 控制模式。 传统的开关电源采用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点 : （ 1）因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降。 （ 2）由于人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统的一致性差。 （ 3）器件老化及热漂移问题的存在，导致电源输出性能下降，甚至导致输出失败。 （ 4）产品升级换代困难，对同一型号的模 拟控制开关电源，若不改动硬件，升级是不可能的，皖西学院本科毕业论文（设计） 第 7 页 每一个新型的开关电源都要求重新设计、制造控制系统。 （ 5）模拟控制的开关电源的监控功能有限，一旦出现故障，要想恢复正常，技术人员必须亲赴现场。 开关电源的数字控制方法 开关电源数字控制的优势 数字化已成为信息社会主流的今天，电力电子的数字化控制也是势不可当的。 随着大规模集成电路 ASIC、现场可编程逻辑器件 FPGA 及数字信号处理器 DSP 技术的发展，开关电源的控制逐渐由模拟控制转向数字控制，即向数字化方向发展。 开关电源实现数字化可带来以下优势 : (1)数字控制易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得开关电源的智能化程度更高，性能更加完美。 智能化控制代表了自动控制的最新发展阶段，继承了人脑的定性、变结构、自适应等思维模式，也给电力电子控制带来了一条崭新的思路。 在高频开关工作状态下，开关电源的模型更加复杂化，使得模拟控制或经典控制理论难于对其进行精确建模和控制，采用先进、复杂的智能控制策略，可以从根本上提高系统的性能指标。 (2)控制系统灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期。 数 字控制系统的控制方案集中体现在控制程序上，而微处理器一般都具有丰富的片内外资源。 硬件资源配置确定后，只需要通过修改控制软件，就可以提高原来的控制系统性能，或者根据不同的控制对象实时、在线更换不同的控制策略软件。 (3)控制电路的元器件数量明显减少，因此缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力。 (4)控制系统的可靠性提高，易于标准化。 由于数字控制的高可靠性，必然使整个控制系统的可靠性得到提高，而且可以针对不同的系统 (或不同型号的产品 )，采用统一的控制板，只是对控制软件作一些调整即可，这对于生产厂 家而言，无疑有着巨大的吸引力。 (5)系统的一致性较好，生产制造方便。 由于控制软件不会像模拟器件那样存在差异，所以，对于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也没有模拟系统中模拟器件调试带来的差异问题。 这样，同一型号控制板的性能一致性就会比模拟系统高很多。 开关电源数字控制的实现方式 开关电源的数字控制方式是针对模拟控制存在的固有缺点而发展起来的，也形成了一系列的控制方式，主要有 3种 :单片机控制、 DSP 控制和 FPGA 控制。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 8 页 （ 1）单片机控制 以单片机系统为基础的新一代智能开 关电源电路简单、结构紧凑、性能卓越、功能全面。 由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而抑制或消除各种干扰信号和模块电路引起的误差，提高开关电源输出电压和控制电流精度，因而用单片机控制开关电源是当前智能化开关电源设计的主流。 以图 211所示的单片机控制开关电源结构框图为例简要说明单片机控制的工作原理。 从图 211 中可以看到， 50Hz220V 的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰后，进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。 该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信 号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出到负载。 由单片机产生的脉宽可调的 PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。 利用单片机高速 ADC 转换通道定时采集输出电压、输出电流和温度，并与期望值比较，根据其误差进行调节。 电压采集电路实现了直流输出电压的采集，并使其与 A/D 转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。 辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。 这种基于单片机控制的开关电源技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单片机的 要求不高，成本比较低。 但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂。 单片经过A/D 和 D/A 转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。 也有单片机集成了 PWM 输出，但开关电源往高频化发展，一般单片机的时钟频率有限，产生的 PWM 输出频率和精度反比，无法产生足够频率和精度的 PWM 输出信号。 图 211 单片机控制开关电源结构框图 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 9 页 （ 2）基于 DSP 控制 数字信号处理器 (DSP)已广泛应用于开关电源的控制，采取 DSP 作为开关电源的控制核心，可以用最少的软硬件实现灵活、准确的在线 控制。 充分发挥 DSP 的高速性、实时性、可靠性等方面的特点，结合相应的软件，应用相应的算法实现特定功能，输出了质量较好、频率和幅值可任意改变的控制信号。 以图 212所示的 DSP 控制的开关变频电源基本控制硬件框图为例简要说明 DSP控制的工作原理。 开关变频电源采用高频 SPWM 技术和通用电压型单相全桥逆变电路，选取 IGBT 功率模块作为开关器件，控制电路采用 DSP全数字化设计。 输出电压和电感电流通过采样网络，将输入信号转换为 DSP 所需要的电平，接至 DSP 的 A/D 转换口，通过键盘键入所要求的输出电压值、频率值，由 SCI 模块与 DSP 实现通讯。 得到逆变器当前工作的基准电压信号，经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，与 DSP 定时器产生的三角波载波信号相交截，输出带有一定死区的驱动控制信号，经驱动单元进行隔离放大后送到 IGBT。 DSP 可以把当前时刻的输出电压、频率值送给单片机并在 8 位 LED 上显示出来。 为了保证过压、欠压、过流 (过载 )的情况下能有效地保护功率开关和负载，还设置了保护电路，一旦出现故障， PDPINT 引脚为低电平状态，封锁驱动脉冲控制信号，切断开关变频电源输出。 通过高性能数字芯片 DSP对电源实现直接控制，数字芯片完 成信号采样 AD 转换和 PWM 输出等工作，由于输出的数字 PWM 信号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。 这样就可以简化控制电路的设计，由于这些芯片有比较高的采样速度 (TMS320LF2407内部的 10位 AD转换器完成一次 AD 转换只需 500ns，最快的 8位单片机最快也要几微秒 ).和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。 但是 DSP 芯片结构复杂，成本比较高，而且 DSP 控制技术比较难掌握，在开关电源领域中难以广泛应用。 目前 DSP 技术已经在开 关电源中开始应用，但主要局限在对电源性能要求高的而且价格比较昂贵的领域。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 10 页 图 212 DSP 控制的开关变频电源基本控制硬件框图 与单片机控制相比， DSP 控制在总线结构、数据处理能力以及指令执行时间上，都有明显的优势。 它的控制过程与单片机控制过程一样，只是运算功能更加强大，解决了单片机动态响应不足的缺点。 （ 3）基于 FPGA 控制 FPGA 具有容量大、逻辑功能强的特点，而且兼有高速、高可靠性的优点。 其内部主要分为 2个模块，第 1个模块是由软核 CPU组成的通信管理模块，第 2个模块是由几个 DSP 块 组成，主要完成调节器的 PI 或 PID 运算、高分辨率 PWM 信号的产生以及数字滤波等。 由 FPGA内部结构可以看出，它能够在产生数字 PWM 波形的同时实现外部通信、显示等功能，由于内部有多个 DSP 块，所以它可以采用非常复杂的算法来进行控制和时延补偿。 用 FPGA 控制可以得到非常好的控制精度和动态响应，只是在使用的时候需要外加高精度 A/D 转换器。 图 213给出了一个用 FPGA 控制开关电源的结构框图。 与 DSP 控制相同，虽然它的性能优越，但是价格昂贵，有时甚至一块 FPGA 芯片的价格就比一台用传统模拟 PWM 芯片设计的开关电源高 出许多。 除了上述 3 种控制方法外，还有几种组合控制方法。 比如 :单片机与 CPLD 的组合、 DSP与 CPLD 的组合和 DSP 与 FPGA 的组合等。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 11 页 图 213 FPGA 控制开关电源的结构框图 开关电源的控制算法 开关电源的数字控制，都需要一定的控制算法来实现其控制规律。 由于数字控制规律的设计最初常借鉴模拟控制经验，所以 PID 算法在数字控制中的应用非常普遍，甚至占据了主导地位。 在数字控制中，除了最常用的 PID 算法外，由于数字控制规律的设计非常灵活，因此还可以实现在模拟控制中难以实现的一些其它 控制算法，如智能控制、仿人智能 PI 控制、自适应控制、专家控制和模糊控制等，以及这些方法的相互结合而成的新控制算法。 PID 控制算法 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现 PID 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使 PID 控制更加灵活。 同时，使原来在模拟 PID 控制器中无法实现的控制方法在数字控制中就能得到解决。 （ 1） PID 控制原理 PID 控制是应用最广泛的一种控制规律， .常规 PID 控制系统原理框图如图 214 所示，系 统由 PID 控制器和被控对象组成。 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 y(t)构成的控制偏差。 其控制规律为 :   ttDp dtdeTteTteKtu01)()(1)()( (22) 或写成传递函数的形式 :   STSTKsE sUsG Dp111)( )()( (23) 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 12 页 式中 :KP比例系数， Tl积分时间常数， TD微分时间常数 图 214 模拟 PID 控制系统原理 PID 控制器各校正环节的作用如下 : ○ 1 比例环节 :即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，提高控制精度。 ○ 2 积分环节 :主要用于消除静差，提高系统的无差度，从而使系统的稳定性提高。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 Tl， Tl 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ○ 3 微分环节 :能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 从频域的。