PWM開關電源的設計

《PWM開關電源設計》學生姓名：薛磊學號：20231105182專業(yè)班級：工程3班指導教師：楊帆2023年12月1日目前，開關電源以具有小型、輕量和高效的特點而被廣泛應用于以電子計算機為主的各種終端設備和通信設備中，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速開展不可缺少的一種電源方式。與之相應，在微電子技術開展的帶動下DSP芯片的開展日新月異，功能日益強大，性價比不斷上升，開發(fā)手段不斷改良，其處理速度比CPU倍，因此基于DSP芯片的開關電源擁有著廣闊的前景，可用于先進的機載電源中，也是開關電源今后的開展趨勢。同時DSP芯片的高速處理能力和豐富的外圍設備，非常適合于實時數(shù)字信號處理,為開關電源采用全數(shù)字控制提供了可行性方案。設計了一種基于TMS320LF2407DSP芯片的開關電源，重點介紹TMS320LF2407在開關電源控制電路中的功能與實現(xiàn)。一、PWM型開關電源原理PWM型開關電源結構框圖如下列圖1所示，開關電源電路是由開關管〔調(diào)整管)、變換器、取樣電路、比擬放大電路、基準電源和鼓勵器組成的控制環(huán)路及保護電路組成，市電信號經(jīng)過輸入濾波和整流濾波后實現(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)過逆變器后實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟姡@是PWM型開關電源實現(xiàn)PWM控制的核心局部，其頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。最后再通過輸出整流與濾波，根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。圖1PWM型開關電源的結構框圖圖2開關電源控制原理圖二、PWM控制原理開關電源控制原理圖如圖2所示。圖中，開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E可通過開關K和濾波電路提供應負載RL為負載提供能量；為使負載能得到連續(xù)的能量，開關穩(wěn)電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時向負載釋放[1]。圖3中，由電感L和電容C2和二極管D組成的電路就具有這種功能。電感L和電容C2用以儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感L和C2中的能量通過二極管D釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。因二極管D使負載電流連續(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/T×E(1)式中，TON為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作周期(即開關接通時間TON和關斷時間TOFF之和)。由式(1)可知，開關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Vo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，這種方法稱為“時間比率控制〞〔TimeRatioControl，縮寫為TRC)[2]。這里按照TRC原理選擇了開關周期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)，用來實現(xiàn)對電壓幅值頻率的控制。圖3三角波的規(guī)那么調(diào)制采樣法SPWM(SinusoidalPWM)法是一種比擬成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果根本相同。以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比擬，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，這就是自然采樣法，其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波，如圖3所示，每個脈沖的中點都以相應的三角波的中點對稱，在三角載波的負峰時刻TD對正弦波采樣得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率器件的通斷?？梢夾B長度即為脈沖寬度，由圖3可得如下關系式：AB=TC(1+sinwctD)/2(2)根據(jù)這一關系式可知，如果一個周期內(nèi)有N個矩形波，那么第I個矩形波的占空比為：Dt=0.5+0.5sin(I×2π/N)(3)三、DSP在開關電源控制電路中的應用從20世紀60年代開關電源出現(xiàn)開始,開關電源經(jīng)歷了由高頻到更高頻,由模擬控制到數(shù)字控制的過程。在20世紀90年代,出現(xiàn)了基于單片機的數(shù)字式高頻電源,但是因為單片機的字長和計算能力的關系,它計算出來的脈寬不夠精確,使控制環(huán)精度受到限制,無法滿足應用要求。近年來，TI、MO-TOROLA、ADI等公司相繼推出了適用于開關電源使用的DSP芯片,使得開關電源的控制技術朝著全數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化的方向開展。本論文中選取TI公司的TMS320LF2407DSP芯片作為開關電源的控制器。TMS320LF2407的結構特點TMS320LF2407是TI公司推出的一款用于控制的低價格、高性能定點DSP芯片，具有高速信號處理和數(shù)字化控制功能所必需的結構特點，其體系結構專為實時信號處理而設計，將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案。其適用于開關電源控制器的主要特點有：1、30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(系統(tǒng)運行主頻達30MHz)提高了控制器的實時控制能力。2、采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗，符合低功耗設計要求；利用片內(nèi)高達32K字節(jié)的FLASH程序存儲器存儲程序降低了本錢減小了體積，而且系統(tǒng)升級也方便。3、兩個事件管理器模塊EVA和EVB，是TI公司C2000系列DSP最具特色的局部，每個事件管理器模塊包括2個16位通用定時器，8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道，能夠提供方便可調(diào)的PWM波形；另外，兩個EV模塊還單獨提供功率驅(qū)動保護中斷輸入引腳PDPINTx(x=A、B)用于監(jiān)視過電壓、過電流和溫度過高等異常信號，為系統(tǒng)操作提供平安保障。4、16個A/D轉(zhuǎn)換通道，可同時接受電壓、電流及反響器反響參數(shù)等信號。10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。減少模擬電路節(jié)約空間，另外還可現(xiàn)場再編程，并且可改善電路的溫度特性。TMS320LF2407在控制電路中的應用圖5基于TMS320LF2407的開關電源系統(tǒng)框圖綜上所述,TMS320LF2407具有較高的速度、豐富的片內(nèi)外設和優(yōu)良的控制性能，將其用于開關電源，極易滿足開關電源對高頻化和智能化的要求[5]。圖5為本設計系統(tǒng)框圖。其中虛框局部為TMS320LF2407，其主要功能有：采樣反響電路輸入A/D的信號；采樣后,通過控制算法產(chǎn)生用于驅(qū)動開關管的PWM波形，到達穩(wěn)壓的目的；同時當輸出電壓、電流過高或欠壓時，采取相應措施來處理突發(fā)事件，起到保護作用。四、基于DSP芯片TMS320LF2407的SPWM控制根本原理圖4基于TMS320LF2407的開關電源系統(tǒng)框圖這里以EVB中的通用定時器3及與之相關的比擬單元為例來說明實現(xiàn)SPWM控制的過程。TMS320LF2407中EVB的定時器3有二個與之相關的比擬單元：比擬單元4、5、6，每個比擬單元都有個相應的比擬存放器：CMPR4,CMPRS和CMPR6。每個比擬單元都可單獨設置成比擬模式和PWM模式，設置為PWM模式時，每個比擬單元有兩個極性相反的PWM輸出。因此利用TMS320LF2407可實現(xiàn)對三相橋式逆變電路的SPWM控制。在周期存放器T3PR的值定的情況下，通過改變比擬存放器的值就叫以改變輸出知形脈沖的寬度[3]。根據(jù)式(3)所得的占空比表達式，丙利用通用定時器比擬單元的PWM特性，就可以很容易地實現(xiàn)SPWM。首先介紹下產(chǎn)生PWM的存放器設置，其步驟如下：(1)裝載比擬方式控制存放器ACTRB。(2)如果使能死區(qū)，那么設置和裝載死區(qū)時間控制存放器DBTCONB(如使能那么可防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖)。(3)設置和裝載定時器3周期存放器，即規(guī)定PWM波形周期。(4)初始化EVB的比擬存放器CMPR4,CMPRS,CMPR6。(5)設置和裝載定時器3的控制存放器T3CON。(6)更新比擬存放器的值，使輸出的PWM波形占空比發(fā)生變化。具體的程序設計方法如下：系統(tǒng)初始化后根據(jù)載波頻率和信號頻率計算出每個周期需要輸出的知形波個數(shù)，從而確定定時器的周期，以設置頻率參數(shù)及脈沖個數(shù)。根據(jù)式(3)計算出每個知形脈沖的占空比，用占空比乘以周期存放器的值，從而計算出比擬存放器的值。該過程作為計算子程序，并使脈沖指針個數(shù)I加1。在周期中斷子程序中將計算所得出的比擬存放器的值送到比擬存放器，當?shù)竭_次載波周期時置相應標志位。主程序根據(jù)標志位來判斷是否己完成個周期的操作。如果標志位TC上己置1，那么清標志位，調(diào)計算占空比子程序，然后進入等待狀態(tài);如果標志位上末置1，那么白接進入等待狀態(tài)。其主程序流程圖如圖6所示。圖6主程序流程圖雖然利用單片機也能實現(xiàn)SPWM,但運用DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力及其速度優(yōu)勢叫以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實時性，其性能比擬見表1。表1DSP與單片機性能的比擬總線結構數(shù)據(jù)處理能力指令執(zhí)行時間乘加運算(us)PWM(us)正余弦查表(us)速度測量(us)電流控制(us)單片機共用總線差多周期2