基于DSP的大功率数字开关电源设计

摘要：结合电力电子技术和嵌入式技术，设计了以全桥隔离式PWM变换器为核心，基于DSP处理器TMS320F2812的高精度大功率数字开关电源。完成了系统硬件电路设计及软件数字PID算法，实现数字化采样、运算、控制输出、系统监控和人机接口等功能。
关键词：数字开关电源；DSP；PWM；PID

0 引言
    随着电力电子技术的高速发展，开关电源得到了广泛应用，日新月异的高科技产品也对开关电源提出了更高的要求。传统的基于模拟控制技术的开关电源发展了很多年，各方面都比较成熟，但有其自身无法克服的缺点，数字开关电源技术的出现克服了传统模拟控制技术的缺陷，为开关电源设计领域注入了新的活力。随着数字控制方法、数字控制电路结构的发展和数字化开关电源市场需求的推动，数字化控制开关电源在电源领域里的优势越来越明显。
     本文结合电力电子技术和嵌入式技术，设计了基于DSP处理器TMS320F2812的大功率数字开关电源，实现数字化采样、运算、控制输出、系统监控和人机接口等功能。该设计充分发挥DSP处理器精度高、速度快等特点，提高了开关电源的输出精度、智能度、集成度和系统稳定性。

1 系统硬件电路设计
    本设计主要由输入电网滤波、输入整流滤波、DC-DC变换、输出滤波、DSP控制电路、驱动电路、电压电流反馈电路、辅助黾源电路、人机接口电路等几部分组成。该设计总体设计框图如图1所示：

    其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到直流电压，该直流电压在DC-DC变换电路内部经过高频逆变、高频变压器隔离变换、整流等一系列变换后输出直流电压，最后再经过输出滤波电路，得到需要的高质量、高品质的直流电压。
    输入电网滤波、输入整流滤波、输出滤波电路、电压电流反馈电路、辅助电源电路等部分的设计基本和传统的模拟控制技术相同，本文不再介绍。人机接口电路主要实现检测参数的反馈以及处理器基准电压的实现，在本文也不做过多的介绍。本文主要介绍DSP控制电路、DC-DC变换电路、驱动电路的设计方法。
1．1 DSP控制电路
    本设计采用DSP处理器TMS320F2812为核心控制芯片。
    其工作原理：输出电压和电感电流通过反馈网络，将反馈信号转换为DSP所需要的电平，接至DSP的A／D转换口，转换后的信号与通过人机接口电路输入的电压基准信号一起经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，该正弦调制信号与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PWM控制信号，最后经驱动单元送到IGBT。 [p]
1．2 DC-DC变换电路
    全桥式变压隔离器开关管承受最小的开关电压和最小的开关电流，功率开关在非常安全的情况下运作。并且主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边绕组采用全桥全波整流输出，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效率、功率密度得到提高，因此，本设计选用全桥隔离式PWM变换器。功率器件采用单管IGBT，IGBT属于MOSFET和双极型晶体管的复合器件，它具有MOSFET容易驱动的特点，还有双极型晶体管电压高、电流大的特点，非常适合应用于大功率开关电源电路。

    DC-DC变换电路如图2所示。图中每个IGBT旁均并联有阻容吸收回路(RC)作为缓冲器，在IGBT瞬间断开时，缓冲器元件RC将通过提供交流通道减少功率管断开时的集电极电压应力。
    工作原理如下：在图2中，P1、P4和P2、P3分别构成全桥的两臂，P1-P4的驱动信号分别为S1-S4，这4路驱动信号来自于驱动芯片KA101。当S1和P4信号来时，P1和P4导通，电流经过P1进入变压器原边，再经P4形成回路。当S2和P3信号来时，P2和P3导通，电流经过P2进入变压器原边，再经P3形成回路，但是电压的极性与S1驱动的相反。这样，直流电压经过变换电路变换以后，得到的为一高频变化的交流电压，完成了从DC到AC的变换。然后这一交流电压再经过高频变压器变压和整流滤波电路整流滤波即可得到预期的稳定直流电压。
1．3 驱动电路
    由于TMS320F2812的PWM波驱动能力有限，而IGBT要求PWM波的驱动能力较强，所以在DSP和IGBT之间必须接相应的驱动电路，增加驱动功率，保证IGBT在最短时间内开通与关断。该驱动电路主要完成2个功能：一是将弱电控制回路与大功率强电主回路实现电气隔离：二是通过驱动电路提供IGBT开关所需的电压和电流。
    本设计采用北京落木源电子技术有限公司生产的光耦隔离驱动芯片KA101来对IGBT进行驱动。该器件保护功能完善、工作频率较高、用户可调参数多、价格便宜，并能与多种其他类型的驱动器兼容。DSP产生的PWM信号从驱动芯片KA101的1、2引脚输入，通过驱动芯片内部控制变换，最终从17、18引脚输出驱动信号接到IGBT的栅极，控制开关器件的通断。

2 数字PID算法的实现
    数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续域PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。还有一些改进算法如积分分离法，遇限削弱积分法，不完全微分法，
微分先行法和带死区的PID控制算法等。
    本设计中，有一个预设的基准电压，而且为了节省存储空间所以选用增量型PID控制算法实现系统功能。根据推理原理可得增量型PID算法。
   
    由于计算机输出增量，所以对误动作影响小，如果必要时可以用逻辑判断的方法去掉，而且增量控制不易产生积分失控，容易获得较好的调节品质。

3 结束语
    本文设计了以全桥隔离式PWM变换器为核心，基于DSP的大功率数字开关电源。该设计充分发挥DSP处理器精度高、速度快等特点，提高了开关电源的输出精度、智能度、集成度和系统稳定性。可以相信，随着数字技术的发展，应用速度更快、精度更高、体积更小、更加可靠、操作更灵活的DSP处理芯片将会更多的应用到数字开关电源中，数字开关电源也将在相关行业中得到越来越广泛的应用。