基于DSP的大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

引言

信息時(shí)代離不開(kāi)電子設(shè)備，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備的種類(lèi)與日俱增，與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。任何電子設(shè)備又都離不開(kāi)可靠的供電電源，它們對(duì)電源供電質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。

目前，開(kāi)關(guān)電源以具有小型、輕量和高效的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。與之相應(yīng)，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，DSP芯片的發(fā)展日新月異，因此基于DSP芯片的開(kāi)關(guān)電源擁有著廣闊的前景，也是開(kāi)關(guān)電源今后的發(fā)展趨勢(shì)。

電源的總體方案

本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的基本組成原理框圖如圖1所示，主要由功率主電路、DSP控制回路以及其它輔助電路組成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

開(kāi)關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)在“高頻”上。通常濾波電感、電容和變壓器在電源裝置的體積和重量中占很大比例。從“電路”和“電機(jī)學(xué)”的有關(guān)知識(shí)可知，提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小濾波器的參數(shù)，并使變壓器小型化，從而有效地降低電源裝置的體積和重量。以帶有鐵芯的變壓器為例，分析如下：

設(shè)鐵芯中的磁通按正弦規(guī)律變化，即φ= φMsinωt，則：

式中，EM= ωWφ M=2πfWφM，在正弦情況下，EM=√2E，φM=BMS，故：

式中，f為鐵芯電路的電源頻率;W 為鐵芯電路線圈匝數(shù);BM為鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度;S為鐵芯線圈截面積。

從公式可以看出電源頻率越高，鐵芯截面積可以設(shè)計(jì)得越小，如果能把頻率從50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍，這樣可以大大減小電源的體積。

綜合電源的體積、開(kāi)關(guān)損耗以及系統(tǒng)抗干擾能力等多方面因素的考慮，本開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為30 kHZ。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1、功率主電路

本電源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”變換的結(jié)構(gòu)，主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器、輸人整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成，如圖2所示。

圖2 功率主電路原理圖

其基本工作原理是：交流輸入電壓經(jīng)EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓，通過(guò)高頻逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。如圖3所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。

圖3 功軍主回路的電壓波形變化

本開(kāi)關(guān)電源采用半橋式功率逆變電路。如圖2所示，輸入市電經(jīng)EMI濾波器濾波，大大減少了交流電源輸入的電磁干擾，并同時(shí)防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端。再經(jīng)過(guò)橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點(diǎn)問(wèn)。P、N之間接人一個(gè)小容量、高耐壓的無(wú)感電容，起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類(lèi)似，只是其中兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件改由兩個(gè)容量相等的電容CA1和CA2代替。在實(shí)際應(yīng)用中為了提高電容的容量以及耐壓程度，CA1和CA2往往采用的是由多個(gè)等值電容并聯(lián)組成的電容組。C A1、CA2 的容量選值應(yīng)在電源體積和重量允許的條件下盡可能的大，以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩。CA1 和CA2 在這里同時(shí)起到了靜態(tài)時(shí)分壓的作用，使Ua =Uin/2。

在本電源的設(shè)計(jì)中，采用IGBT來(lái)作為功率開(kāi)關(guān)器件。它既具有MOSFET的通斷速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單及驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點(diǎn)。

在IGBT的集射極間并接RC吸收網(wǎng)絡(luò)，降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力，減小IGBT關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓;并聯(lián)二極管DQ實(shí)現(xiàn)續(xù)流的作用。二次整流采用全波整流電路，通過(guò)后續(xù)的LC濾波電路，消除高頻紋波，減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC濾波電路中的電容由多個(gè)高耐壓、大容量的電容并聯(lián)組成，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩(wěn)。

2、 控制電路

控制電路部分實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，包括對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出端電壓、電流和IGBT溫度的檢測(cè)，對(duì)收集信息的分析和運(yùn)算處理，對(duì)電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過(guò)程主要是通過(guò)采集開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)，送入DSP芯片進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過(guò)改變輸出PWM波的占空比，送到逆變橋開(kāi)關(guān)器件的控制端，從而控制輸出電壓和電流。