基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源綜述

1、收稿日期 :2011-09-15作者 簡 介 :王 愛 玲 (1976-, 女 , 山 東 汶 上 縣 人 , 大 學(xué) 講 師 , 工 學(xué) 碩士 , 主要研究方向 :電力電子技術(shù)及 D S P 。文章編號 :1009-3664(2012 01-0027-02研制開發(fā)基于 D S P 控制的數(shù)字開關(guān)電源綜述王愛玲 , 房亞民 , 馮 晶(山東濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系 , 山東 濟(jì)寧 272037 摘要 :簡要分析了開關(guān)電源的模擬控制方式的特點 。 為了將數(shù)字控制的優(yōu)點引入開關(guān)電源 , 進(jìn)一步提高開關(guān)電源的 性能 , 文章介紹了一種基于 D S P 芯片 TM S 320L F 2407控制的數(shù)字開

2、關(guān)電源 。 分析比較表明了基于 D S P 控制的開關(guān)電源 具有穩(wěn)定快 、 失真小 、 負(fù)載對系統(tǒng)影響小的特點 , 數(shù)字控制技術(shù)可以在開關(guān)電源中推廣應(yīng)用 。關(guān)鍵詞 :D S P ; 開關(guān)電源 ; 數(shù)字控制 中圖分類號 :TM 46文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :AR e s e a r c h o n D i g i t a l S w i t c h i n g M o d e P o w e r S u p p l y B a s e d o n D S P C o n t r o l WA N G A i -l i n g , F A N G Y a -m i n g , F E N G J i n g(

3、D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l , J i n i n g P o l y t e c h n i c , J i n i n g 272037, C h i n a A b s t r a c t :T h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e s i m u l a t i o n c o n t r o l m o d e c h a r a c t e r i s t i c o f s w i t c h i n g m o d e p

4、 o w e r s u p p l y b r i e f l y . I n o r d e r t o i n t r o d u c e d a t a c o n t r o l l i n g t o p o w e r s w i t c h , a d v a n c e t h e s w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y p e r f o r m a n c e s , t h i s p a p e r i n -t r o d u c e s a d i g i t a l s w i t c h i n g m

5、o d e p o w e r s u p p l y w h i c h b a s e s o n t h e D S P TM S 320L F 2407 c o n t r o l . T h i s s h o w e s t h a t s w i t c -h i n g m o d e p o w e r s u p p l y b a s e d o n D S P c o n t r o l h a s q u i c k l y s t a b l e , d i s t o r t i o n , l o a d l i t t l e i m p a c t o n

6、t h e s y s t e m c h a r a c t e r i s -t i c s , d i g i t a l c o n t r o l t e c h n o l o g y c a n b e a p p l i e d i n s w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y . K e y w o r d s :D S P ; s w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y ; d a t a c o n t r o l l i n g 開關(guān)電源具有小型 、輕量和高效的特點

7、 , 被廣泛應(yīng) 用于以電子計算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備和通信設(shè)備 中 。 與之相 對 應(yīng) , 在 微 電 子 技 術(shù) 發(fā) 展 的 帶 動 下 , D S P 芯片的發(fā)展 日 新 月 異 , 功 能 日 益 強(qiáng) 大 , 性 價 比 不 斷 上 升 , 其 處 理 速 度 比 C P U 快 1015倍 。 因 此 , 基 于 D S P 芯片的開關(guān)電源必將擁有廣闊的前景 , 可用于先 進(jìn)的機(jī)載電源中 。1 開關(guān)電源模擬控制和數(shù)字控制的比較1. 1 模擬控制模擬信號的值可以連續(xù) 變化 , 其時間和幅 度 的 分 辨率都沒有限制 。 9 V 電池 就 是 一 種 模 擬 器 件 , 它 的 輸出電壓并

8、不精確地等于 9 V , 而是隨時間變化 , 并可 取任何實數(shù)值 。 與此類似 , 從 電 池 吸收的電流也不限 定在一組可能的取值范圍之內(nèi) 。 模擬信號與數(shù)字信號 的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能 取值集合之內(nèi) , 例如在 0, 5 V 這一集合中取值 。 模擬電壓和電流可直接 用來進(jìn)行控制 , 如對汽車 收音機(jī)的音量進(jìn)行控制 。 在模擬收 音機(jī)中 , 音量旋鈕 被連接到一個可變電阻 。 擰動旋鈕 時 , 電阻值 變 大 或 變小 ; 流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少 , 從而改 變了驅(qū)動揚(yáng)聲器的電流值 , 使音量相應(yīng)變大或變小 。模擬控制看起來直觀而 簡單 , 但它并不總

9、是 經(jīng) 濟(jì)或可行的 。 其中一點就是模擬控制容易隨時間漂移 , 因而難以調(diào)節(jié) 。 能夠解決這個問題的精密模擬電路可 能非常龐大 、 笨重 (如老式的家庭立體聲設(shè)備 和昂貴 。 模擬控制還有可能嚴(yán)重 發(fā)熱 , 其功耗與工作元件兩端 電壓與電 流 的 乘 積 成 正 比 。 模 擬 控 制 還 對 噪 聲 很 敏感 ,任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小 。 1. 2 數(shù)字控制所謂電源的 數(shù) 字 控 制 , 也 稱 為 “ 回 路 內(nèi) 部 的 處 理 器 ”, 是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法 。 它必須對兩個數(shù)字串進(jìn)行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來驅(qū)動 電源開關(guān) , 而不是使用傳統(tǒng)模擬 P WM

10、 比較器 。 它會 將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號 , 并在數(shù)字域利 用這些數(shù)據(jù)計算控制響 應(yīng) , 然后將新產(chǎn)生的控制信息 加傳至系統(tǒng) 。 通過以數(shù)字方式控制模擬電路 , 可以大 幅度降低系統(tǒng)的成 本 和 功耗 。 此外 , 許多微控制器和 D S P 已經(jīng)在芯片上包含了 P WM 控制器 , 這使數(shù)字控 制的實現(xiàn)變得更加容易了 。實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法 :(1基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源 單片機(jī)通過外接 A /D 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣 , 采樣后 對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié) , 再把結(jié)果通過 D /A 轉(zhuǎn)換后傳到 P WM 芯片中 , 實現(xiàn)單片機(jī)對開關(guān)電源的間 接控制 。 這種

11、技術(shù)目前 已經(jīng)比較成熟 , 設(shè)計方法容易 掌握 , 而且對單片機(jī)的要求不高 , 成本比較低 。 但是控 制電路由于要用多個芯片 , 電路比較復(fù)雜 ; 單片機(jī)經(jīng)過 A /D 和 D /A 轉(zhuǎn)換 ,有比較大的時延 , 勢必影響電源的 ·72·動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度 。 也有的單片機(jī)集成了 P WM 輸 出 , 但開關(guān)電源不斷往高頻化方向發(fā)展 , 一般單片機(jī)的 時鐘頻率有限 , 產(chǎn)生的 P WM 輸出頻率和精度成反比 , 無法產(chǎn)生足夠頻率和精度的 P WM 輸出信號 。(2 基于數(shù)字信號處理控制的開關(guān)電源通過高性能數(shù) 字 芯 片 如 D S P 對 電 源 實 現(xiàn) 直 接 控 制 ,

12、 數(shù)字芯片完成信號采樣 A /D 轉(zhuǎn)換和 P WM 輸出等 工作 , 由于輸出的數(shù)字 P WM 信號 功率不足以 驅(qū) 動 開 關(guān)管 , 需要驅(qū)動芯片 。 這樣就可以簡化控制電路 , 由于 這些芯片有較高的采樣速度 和運(yùn)算速度 , 可以 快 速 有 效地實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算 法 , 實 現(xiàn)對電源的 有 效 控 制 , 有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度 。 本文研究 的 數(shù) 字 開關(guān)電源采用這種控制方式 。2 基于 D S P 芯片 T M S 320L F 2407控制的數(shù)字 開關(guān)電源2. 1 數(shù)字控制電源系統(tǒng)的特點(1 以數(shù)字信號 處 理 器 D S P 或 單 片 機(jī) 為 核 心 , 將 數(shù)字電源

13、驅(qū)動器及 P WM 控制器作為控制對象而構(gòu)成 的智能化開關(guān)電源系統(tǒng) 。(2 采用 “ 整合數(shù)字電源 ” 技術(shù) , 實現(xiàn)了開關(guān)電源中 模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合 。(3 高集成度 , 實現(xiàn)了電 源系統(tǒng)單片集成化 , 將大 量的分立元器件整合到一個芯片或一組芯片中 。 (4 能充分發(fā)揮數(shù)字 信號處理 器及微控制器的優(yōu) 勢 , 使所設(shè)計的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo) 。這種技術(shù)可用于負(fù)載時 間恒定的應(yīng)用中 , 使電源 運(yùn)行在高頻狀態(tài) , 如功率因數(shù)校正 、 非中斷電源 、 多個 化學(xué)電池譯電和電機(jī)控制 ; 還 可 用 于采用若干可配置 的 P WM 內(nèi) 核 及 控 制 、 診 斷 和 接 口 電 路 的

14、 手 機(jī) 以 及 P D A 的 P MU 等 其 它 應(yīng) 用 。 運(yùn) 行 時 間 控 制 電 路 中 的 子電路或外 設(shè) 可 為 其 電 流 狀 態(tài) 提 供 最 適 宜 的 運(yùn) 行 電 壓 , 以便節(jié)能 。 數(shù)字電源控制可使調(diào)節(jié)器更加靈敏 。 2. 2 D S P 芯片 T M S 320L F 2407簡介TM S 320系 列 D S P 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 專 為 實 時 信 號 處 理而設(shè)計 , 該系列 D S P 集實時處理和控制外設(shè)功能于 一身 , 為實現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了理想的解決方案 。 T M S 320L F 2407在 T M S 320系列基礎(chǔ)上有以下特點 : (1 高性

15、能 10位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A D C 的轉(zhuǎn)換時間 為 500 n s , 提供多達(dá) 16路的模擬輸入 。(2 基于 TM S 320C 2x x 第洌的 C P U 核保證了其 與 TM S 320系列 D S P 的代碼兼容 。(3 具有兩 個 事 件 管 理 器 模 塊 E V A 和 E V B , 每 個均 可 提 供 兩 個 16位 通 用 定 時 器 和 八 個 16位 的 P WM 通道 。(4 高達(dá) 24 k 的 F L A S H 程序存儲器 。(5 可擴(kuò)展外部存儲器 。(6 五個外部中斷 (兩個驅(qū)動保護(hù) 、 復(fù)位和兩個可屏蔽中斷 。利用高性能的 D S P 數(shù) 字 芯 片

16、 對 電 源 實 現(xiàn) 直 接 控 制 , 可以簡化控制電路的設(shè)計 , 再加上這些芯片有較高 的采樣速度和運(yùn)算速度 , 可以快速有效地實現(xiàn)各種復(fù) 雜的控制算法 。2. 3 基于 D S P 控制的開關(guān)電源原理基于 D S P 控制的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖 1所示 。圖 1 基于數(shù)字信號處理 D S P 控制的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)圖 圖中 D S P 采用目前流行的 TM S 320L F 2407, 主要 進(jìn)行數(shù)字 P I D 計算 ; 復(fù)雜可編程邏輯器件 C P L D 根據(jù) D S P 計算的 結(jié) 果 生 成 數(shù) 字 P WM 波 形 控 制 主 功 率 變 換器 , 避免了模擬 P WM 控制器中的

17、雙脈沖現(xiàn)象和半 頻現(xiàn)象 , 實現(xiàn) 了 P WM 控 制 的 完 全 數(shù) 字 化 ; A I D 轉(zhuǎn) 換 電路用作電壓 、 電流 、 溫度等數(shù)據(jù)的采集 , 芯片可采用 T L C 5540芯片 , 或者 T L C 2543芯片 , 通過此 A I D 轉(zhuǎn)換 電 路 采 集 的 電 壓 等 信 號 , 經(jīng) 數(shù) 據(jù) 總 線 低 八 位 進(jìn) 入 D S P , 與標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號進(jìn)行比較 , 當(dāng)檢測到輸出電壓 幅度高于標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號時 , 按比例降低占空比 , 從而 實現(xiàn)對開 關(guān) 電 源 輸 出 正 弦 波 和 幅 度 的 調(diào) 制 。 D S P 通 過接口電路還可以擴(kuò)展 L C D 、 鍵盤進(jìn)行人機(jī)

18、交換以及 通過串口 R S -485或 R S -232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等 。3 結(jié)束語基于數(shù)字信號處理的開關(guān)電源 , 雖然 D S P 芯片結(jié) 構(gòu)復(fù)雜 , 成本比較高 , 而 且 D S P 控 制 技 術(shù) 相 對 較 難 掌 握 , 況且 利 用 單 片 機(jī) 也 能 實 現(xiàn) 其 部 分 功 能 , 但 運(yùn) 用 D S P 強(qiáng)大的數(shù) 據(jù) 處 理 能 力 及 其 速 度 優(yōu) 勢 可 以 提 高 電 源控制系統(tǒng)的精度和實 時性 , 可以快速有效地實現(xiàn)各 種復(fù)雜的控制算法 , 實現(xiàn)對電源的有效控制 , 有較高的 動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度 , 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) 。參考文獻(xiàn) :1 張 松 , 等 . 基于 D S P 實現(xiàn)的軟開關(guān)電源控制系統(tǒng) J . 信 息與電子工程 , 2003, 1(2 :50-53.2 徐德鴻 ,