基于DSP和CPLD的軟開關電源的數字控制器

1 引言

近年來，隨著大功率開關電源的發(fā)展，對控制器的要求越來越高，開關電源的數字化和智能化也將成為未來的發(fā)展方向。

目前，我國的大功率開關電源多采用傳統(tǒng)的 模擬控制方式，電路復雜，可靠性差。因此，采用集成度高、集成功能強大的數字控制器設計開關電源控制器，來適應不斷提高的開關電源輸出可編程控制、數據通 訊、智能化控制等要求。

2.數字控制器設計

本文設計的數字控制器，采用TI公司24X系列DSP控制器中的TMS320LF2407A芯片作為主控制器，主要功能模塊包括：(1)DSP與可編程邏 輯器件CPLD相配合實現全橋移相諧振軟開關驅動(2)偏磁檢測電路;(3)其他功能，如數據采集、保護及外部接口等?？刂葡到y(tǒng)結構如圖1所示。

2.1移相控制波形的生成

TMS320LF2407A芯片包含兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器都包括兩個通用定時器，通用定時器GPT1和GPT2對應于事件管理器EVA，GPT1和GPT2對應于事件管理器EVB，通用定時器的結構如圖2所示。

通用定時器是PWM波形產生的基礎，每個通用定時器都可以提供一路單獨的PWM輸出通道。獲得指定周期指定脈寬的PWM信號的過程是：首先設置通用定時器 控制寄存器TxCON確定計數器的計數模式和時鐘源;然后根據需要的PWM波形周期設置周期寄存器TxPR;接著裝載比較寄存器TxCMPR，確定PWM 波形的占空比。通過上述相應的設置即可獲得指定周期、指定脈寬的PWM信號。

而輸出移相波形的關鍵是讓同一事件管理器中的兩個通用定時器同步工作，并且在一個通用定時器從零開始計數的時刻，賦予另一個通用定時器計數器不同的初值， 初值的大小決定兩個通用定時器輸出PWM波形的相位關系。本文利用事件管理器EVA的兩個通用定時器GPT1和GPT2的同步工作，產生移相波形。

為了避免因開關器件特別是IGBT器件在關斷時電流拖尾造成橋臂瞬時直通所造成的危害，還需要在同側橋臂的開關器件控制波形中添加死區(qū)。因為PLD具有可 在線修改能力，可在PCB電路完成后隨時修改設計，而不必改動硬件電路，因此本文采用ALTERA公司的EPM7000S系列的CPLD芯片，通過編程生 成控制波形的死區(qū)。如圖3所示。

2.2磁偏檢測電路

在全橋電路中，一對功率開關管在工作周期的前半部分和后半部分交替地通斷，若它們的飽和壓降相等，導通脈寬也一樣，則稱電路工作在平衡狀態(tài)。但若由于某種 原因導致兩個半周期內施加在中頻變壓器上的電壓不相等(例如功率開關管的飽和壓降有較大差異)或是一對晶體管的導通脈寬不相等(例如由于存儲時間的不一 致、控制電路輸出脈寬不相等以及反饋回路引起的不對稱等)時，功率轉換電路就工作在不平衡狀態(tài)。變壓器的磁通在一個周期終了時不能返回到起始點，于是將在 一個方向增大，其工作區(qū)域將偏向一個象限，引起磁芯飽和從而導致功率開關管損壞，逆變失敗，此即所謂“單向偏磁”。

為了避免變壓器的飽和，充分發(fā)揮數字控制器的優(yōu)勢，盡量簡化主電路的設計，增加變壓器的利用率，本文設計中采取以下方法來進行磁偏的檢測和控制。如圖4所 示，通過互感器分別檢測變壓器的一次側正負半周的電流大小，將檢測得到的值HCQ1和HCQ2進行比較，一旦某個半周的電流偏大超過一定的值，則認為出現 了偏磁，將該信號送入TMS320LF2407A的捕獲單元功能，產生捕獲中斷并通過中斷程序去調整相應橋臂的功率開關管驅動脈沖的寬度，強制對變壓器進 行磁恢復，防止變壓器飽和現象的發(fā)生。

2.3數據采樣及濾波

為了確?？刂瓢迮c系統(tǒng)主電路的信號隔離，數據采樣電路上采用與霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器接口，確保采樣輸入電路的信號與采樣輸出信號的完全隔離。

TMS320LF2407A芯片內部集成了10位精度的帶內置采樣/保持的模數轉換模塊(ADC)。根據系統(tǒng)的技術要求，10位ADC的精度可以滿足電壓 的分辨率、電流的分辨率的控制要求，因此本文直接利用控制芯片內部集成的ADC，就可滿足控制精度。另外，該10位ADC是高速ADC, 最小轉換時間可達到500 ns，也滿足控制對采樣周期要求。

為了提高ADC數字采樣的精度，減少軟件濾波的工作量，設計了低通濾波器對電壓和電流的信號進行處理，以消除高頻信號的干擾和更好的消除線路以及空間的干擾。

2.4保護功能

電源運行過程中，可能會發(fā)生一些異常狀態(tài)，如全橋電路出現直通使得原邊母線短路;副邊負載短路或者過流、散熱器過熱等等，需要在控制中加以保護。

在本文設計中，利用了DSP 功率保護引腳PDPINT的功能對異常狀態(tài)進行檢測并能夠做到及時恰當處理，做到系統(tǒng)的安全可靠運行。

保護電路采用窗口比較電路，分別檢測功率開關管的過流信號，輸出的短路信號和散熱器的過熱信號。設定保護的閥值，一旦出現任何異常，就可以立刻將保護信號 送入DSP 功率保護引腳PDPINT或者外部中斷信號IOPE-2，通知控制系統(tǒng)并采取相應的措施：對于原邊的短路以及副邊的短路采用不可恢復的保護方式，立刻關閉 PWM驅動信號，切斷電源的輸入，以防止其它更嚴重的危險發(fā)生;對于散熱器過熱等可恢復的保護信號，則暫時關閉PWM輸出，等狀態(tài)恢復后再重新恢復工作。