一種基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)
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數(shù)字控制的開關(guān)電源，從2005年左右開始受到市場(chǎng)追捧。原因是當(dāng)時(shí)有許多電源制造廠家和半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家開始將電源模塊和控制工業(yè)IC投入市場(chǎng)。用DSP或者專用邏輯電路等以數(shù)字處理方式進(jìn)行控制，可以得到穩(wěn)定的輸出電壓和輸出電流[1]。
數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)與通信的新型電源技術(shù)，可編程、優(yōu)良的響應(yīng)特性和數(shù)字環(huán)路控制為其優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn)[8]。電源數(shù)字化后具有很強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況的能力，能夠滿足絕大多數(shù)電源用戶需求；數(shù)字電源的自診斷以及在線輸出調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)工作變的輕松；還可以通過遠(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)工作的系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)故障警告管理、過電壓過電流多層次保護(hù)、自動(dòng)冗余并聯(lián)等功能[4]。
數(shù)字電源大大減少了在模擬電源中常見的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、非線性不易補(bǔ)償?shù)葐栴}，提高了電源的靈活性和適應(yīng)性，其穩(wěn)定的控制參數(shù)使得產(chǎn)品個(gè)體無須精細(xì)調(diào)節(jié)即可獲得很好的一致性、可靠性高、可生產(chǎn)性好[6]。
數(shù)字控制技術(shù)本身，在控制學(xué)中并不是什么新技術(shù)。而且在功率電子技術(shù)領(lǐng)域，例如在不間斷電源(UPS)和電機(jī)的逆變器控制等方面，也已經(jīng)使用數(shù)字控制方式[2]。但是，在很多電子設(shè)備帶有的開關(guān)電源中，還沒有采用。
因此，研究基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。
2基于BUCK拓?fù)涞臄?shù)字開關(guān)電源硬件電路設(shè)計(jì)
數(shù)字控制技術(shù)可以用于不同的拓?fù)鋄9]，本設(shè)計(jì)僅以BUCK拓?fù)錇槔?。BUCK拓?fù)涞拈_關(guān)電源主要包括輸入部分、主電路、采樣電路、保護(hù)電路、控制電路等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/231425.htm
2.1輸入部分設(shè)計(jì)
輸入部分設(shè)計(jì)主要包括輸入整流器/濾波器部分的設(shè)計(jì)和輸入濾波電容的設(shè)計(jì)。輸入整流/濾波電路通常由三到五部分組成：EMI濾波器、啟動(dòng)浪涌電流限制器、整流級(jí)和輸入濾波電容[7]，如圖2所示。
首先選擇輸入整流器，整流器通常采用橋式二極管整流。要考慮的主要參數(shù)是：正向平均電流，浪涌電流，直流擊穿電壓，預(yù)期的耗散功率。在電路啟動(dòng)時(shí)，浪涌電流可能高于正常工作時(shí)輸入電流值的10倍。因此，一般在電源的輸入端接一個(gè)熱敏電阻，以保護(hù)整流器。熱敏電阻低溫時(shí)的阻值在（6-12）V，加熱后電阻值一般只有（0.5-1）V。
通過輸入整流器的電流有效值是熱設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的，這會(huì)使整流器發(fā)熱更加嚴(yán)重。綜合考慮以上因素，最小的二極管等級(jí)要符合下面條件：
由以上三式可得出整流二極管應(yīng)選的型號(hào)。接下來要計(jì)算輸入濾波電容器的值。為計(jì)算輸入濾波電容器的值，先要確定電源直流輸入端所承受的紋波電壓。要使電壓紋波越小，電容就要選的越大，這樣上電時(shí)的電流浪涌也更大。濾波電容的選擇有三個(gè)主要方面要考慮：能滿足期望電壓紋波的電容值，電容的額定電壓，電容的額定紋波電流。對(duì)于DC-DC變換器紋波電壓峰值設(shè)計(jì)為（0.1-0.5）V。輸入電容的大小可以從下式得到
2.2主電路設(shè)計(jì)
主電路主要包括電感、功率開關(guān)管。因此，選擇好主電路的電感和功率開關(guān)管，再設(shè)計(jì)好主電路的驅(qū)動(dòng)，主電路設(shè)計(jì)基本完成。
電感的最小值一般由所需維持的最小負(fù)載電流的要求來決定。電感中的電流分連續(xù)和不連續(xù)兩種工作情況，只要輸入、輸出電壓保持不變，電流波形的斜率不會(huì)因負(fù)載電流的減少而改變。如果負(fù)載電流逐步降低，在L中的波動(dòng)電流最小值剛好為0時(shí)，定義此時(shí)電流為臨界電流，等于電流峰-峰值的一半，即
當(dāng)時(shí)，將進(jìn)入電流不連續(xù)狀態(tài)，否則為連續(xù)狀態(tài)。盡管BUCK變換器可工作于不連續(xù)模式，但給多路輸出變換器帶來一定問題。一般電感選擇應(yīng)保證一直到輸出最小規(guī)定電流（通常為額定電流的1/10）時(shí)電感電流仍連續(xù)，故應(yīng)大于使最小負(fù)載電流連續(xù)的臨界值；電感是儲(chǔ)能元件，過大會(huì)降低電源的動(dòng)態(tài)性能，而且會(huì)限制負(fù)載出現(xiàn)較大瞬時(shí)變化時(shí)的電流變化率，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)變慢，所以不宜選大。
功率開關(guān)管通常選擇絕緣柵型MOS管，因?yàn)槭抢脰艠O電壓控制漏極電流，其顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，但其電流容量小，耐壓低，一般用于小功率裝置。MOS管的耐壓值、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOS管的安全工作區(qū)，選擇MOS管時(shí)應(yīng)以此為依據(jù)。
開關(guān)管選定之后，相繼進(jìn)行開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)以所選開關(guān)管的技術(shù)參數(shù)為主要依據(jù)同時(shí)綜合考慮其他電路器件，使電路盡量簡(jiǎn)單。
2.3采樣電路設(shè)計(jì)
采樣電路包括電流采樣和電壓采樣[5]。傳統(tǒng)的電流采樣電路一般是用康銅絲或錳銅絲或者電流傳感器采樣后把信號(hào)送入放大器，這種方案，精確度不高，而且操作不夠簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用的是將電流傳感器和放大器集成在一起的美信公司生產(chǎn)的MAX4173FASA芯片。此芯片為8引腳SOT23-6封裝，它成本低，具有緊密的電流傳感器，可使用的電壓范圍是（0-28）V，精確度為0.5%，具有1.7MHz的帶寬，可在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)工作。
傳統(tǒng)的電壓采樣電路都是由電阻和功率放大器組成，一般來說是先由兩個(gè)電阻分壓，再經(jīng)過一個(gè)功率放大器將增量放大。本設(shè)計(jì)仍采用這種方法，不同的是電阻分壓后不需要再用功率放大器，因?yàn)檫@部分功能可以用軟件在程序里實(shí)現(xiàn)。采樣電路的示意圖如圖3所示。
2.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的保護(hù)主要在軟件中完成，硬件部分通過前饋采集輸入電壓，又通過采樣電路采集輸出電壓和電流。然后，將采樣值送到DSP芯片中，由軟件具體實(shí)現(xiàn)。
使用數(shù)字控制的一大優(yōu)勢(shì)是可以利用靈活的軟件程序來代替復(fù)雜的硬件保護(hù)電路[3]。程序中分別有可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩種方式。其中，不可屏蔽中斷通常針對(duì)程序或系統(tǒng)配置的錯(cuò)誤，在任何情況下監(jiān)測(cè)到此中斷，程序都會(huì)使輸出禁止，以保護(hù)電路及器件?？善帘沃袛嗤ǔａ槍?duì)程序運(yùn)行中的過流、過壓、欠壓等情況進(jìn)行處理，目的是保證對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)要求，如：輸出電壓不得低于要求的5%等，此種中斷一般不會(huì)使程序終止，而是用一定的算法處理，使指標(biāo)恢復(fù)。
2.5控制電路設(shè)計(jì)
控制電路是整個(gè)數(shù)字電源的核心，它不僅可以處理輸入、輸出部分的采樣、保護(hù)整個(gè)電路而且還能通過控制PWM輸出來驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路?？刂菩酒倪x擇至關(guān)重要，好的控制芯片不僅外圍電路設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，而且，功率損耗較小，電源效率很高，穩(wěn)定性好。本設(shè)計(jì)采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的高性能控制芯片DSPIC30F1010/2020。該芯片為28腳雙列直插塑料封裝，工作頻率可達(dá)500kHz，啟動(dòng)和工作電流低，具有鎖存脈寬調(diào)制和逐周限流、欠壓鎖定等特點(diǎn)，電壓調(diào)整精度高，占空比控制方便，適用于小功率開關(guān)電源。其外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
3基于BUCK拓?fù)涞臄?shù)字開關(guān)電源的軟件設(shè)計(jì)
硬件電路設(shè)計(jì)是保障數(shù)字開關(guān)電源正常工作的前提，但軟件設(shè)計(jì)則是數(shù)字開關(guān)電源的動(dòng)力。本設(shè)計(jì)采用的是PID控制方法。其程序框圖如圖5所示。
4仿真和實(shí)際電路調(diào)試
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，作者對(duì)BUCK拓?fù)鋽?shù)字控制電源進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真并制作了實(shí)際的電路板進(jìn)行調(diào)試。仿真軟件采用美國(guó)MICROCHIP公司開發(fā)的高效、方便實(shí)用的軟件MINDI5.4。圖6、圖7分別為不同輸入電壓下的輸出電壓波形。由仿真波形可知，當(dāng)在程序中改變電源輸入電壓時(shí)，電源的輸出電壓按照預(yù)定值進(jìn)行相應(yīng)的改變而且都是恒定的。
在仿真的基礎(chǔ)上，制作了實(shí)際的電路板進(jìn)行了實(shí)際電路的測(cè)試，測(cè)試波形如圖8、圖9所示。由波形可以看出，無論是16V還是24V時(shí)電源的輸出電壓都很穩(wěn)定，從而可以表明數(shù)字控制技術(shù)在開關(guān)電源中應(yīng)用是可行的。
5結(jié)束語
（1）數(shù)字控制技術(shù)在開關(guān)電源中應(yīng)用是可行的。
（2）開關(guān)電源引入數(shù)字控制技術(shù)后可以大大減少在模擬電源中常見的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、非線性不易補(bǔ)償?shù)葐栴}，可以很好的提高開關(guān)電源的靈活性和適應(yīng)性，其穩(wěn)定的控制參數(shù)使得產(chǎn)品個(gè)體無須精細(xì)調(diào)節(jié)即可獲得很好的一致性，可靠性好，可生產(chǎn)性好。
參考文獻(xiàn)
[1]楊晉,蔡麗娟.數(shù)字技術(shù)在開關(guān)電源控制中的應(yīng)用和發(fā)展.開關(guān)電源技術(shù),2005,9.21:6-8.
[2]吳政敏,黃維玲,馬新敏,萬慧.激光電源中DSP數(shù)字控制技術(shù)的研究.激光雜志,2003,11.24:22-23.
[3]鄒雪濤,蔡麗娟.開關(guān)變換器中數(shù)字控制設(shè)計(jì)方法的研究.通信電源技術(shù),2006,11.25:19-22.
[4]楊貴恒,高銳,梁華貴,賀明智.開關(guān)電源數(shù)字控制調(diào)制方式的分析.交流技術(shù)與電力牽引,2008,3:16-21.
[5]孟浩,賈晨,陳志良.數(shù)字控制PFM/PWM混合型DC-DC開關(guān)電源.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2008,1:166-169.
[6]馬煥忠.數(shù)字控制淺論.太原科技,2002,8.26:42-43.
[7]徐德鴻,沈旭,楊成林,周鄧燕（譯）.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南.機(jī)械工業(yè)出版社,2006,75-78.
[8]D.XU.C.zhao.andH.Fan,Apwmplusphase–shiftcontrolbidirectionaldc/dcconverter.IEEETrans.onpowerElectronicsVol.19,no,pp.666-675.May2004.
[9]R.W..Dedoncker,D.M,Divan,andM.H.Kheraluwala,Athree-phasesoft–switchedhigh-power-densitydc/dcconverterforhigh-powerapplications.IEEETrans.onIndustryApplications,Vol,27,no1,pp63-73.■
評(píng)論