基于DSP的智能電源系統(tǒng)設(shè)計

摘要： 介紹了一種基于DSP 的智能電源管理系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方案。本系統(tǒng)以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 為控制核心，主要由信號采集模塊，電路調(diào)理模塊，DSP 處理模塊，顯示模塊，鍵盤模塊，DC-DC 并聯(lián)供電模塊和輔助供電模塊等組成。設(shè)計采用BUCK 降壓變換電路實現(xiàn)DC /DC 變換，設(shè)計和制作了高效率的兩路DC-DC 變換器并聯(lián)供電，此并聯(lián)供電系統(tǒng)能夠?qū)?6 V 直流電壓轉(zhuǎn)化為12V 直流電壓，允許電流達到20 A 長時間工作，并且兩個并聯(lián)開關(guān)電源模塊的電流可按照默認分流比例分流和控制分配比例分流兩種模式工作。另外系統(tǒng)進行了抗干擾設(shè)計，使其具有較好的抗干擾能力，保證系統(tǒng)可靠工作。

　　0 引言

　　隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，對電源的質(zhì)量和可靠性要求越來越高，在很多關(guān)鍵的應(yīng)用場合，比如說地鐵站、醫(yī)院等電源供應(yīng)不能有絲毫的差錯，否則會帶來嚴重的、甚至是災(zāi)難性的后果。所以在很多關(guān)鍵的地方，都設(shè)有備用電源或雙路電源并聯(lián)供電，如UPS（ 不間斷電源系統(tǒng)） 。雙路電源并聯(lián)供電的優(yōu)點主要有兩個： ① 擴充容量，實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)，② 通過冗余實現(xiàn)容錯功能，即當(dāng)某電源模塊失效時，系統(tǒng)還可以提供負載功率，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的不間斷供電。

　　但是，傳統(tǒng)的雙路電源并聯(lián)供電方式有其自身的局限性，比如： ① 靈活性差，在雙路電源都在線工作時不能實現(xiàn)工作電流的獨立控制； ② 不能有效實現(xiàn)節(jié)能，例如在野外，太陽能和風(fēng)能資源非常豐富，我們完全可以以這種綠色能源為主，其他供電方式為輔，為一些在野外工作的關(guān)鍵設(shè)備供電。但是有時太陽能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力不足以維持設(shè)備的正常運行，如果用電池儲存，電池容量有限，完全舍棄不用，直接采用備用電源又有些可惜?；诖嗽O(shè)計并實現(xiàn)了一種新型供電系統(tǒng)。實現(xiàn)并聯(lián)電源的電流可按照默認分流比例分流或控制分配比例分流兩種模式工作［3］。這樣就避免了上述存在的問題，下面以一雙通道直流電源為例介紹其實現(xiàn)原理和方法。

　　1 方案設(shè)計與論證

　　設(shè)計一個安全可靠、低成本、輸出功率為200 W的12 V 直流并聯(lián)供電系統(tǒng)應(yīng)用于野外現(xiàn)場。系統(tǒng)能滿足當(dāng)負載改變時，輸出電壓基本不變。并聯(lián)供電系統(tǒng)輸出電流可按照一定比例自動分配電流，每個模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于5%.具體要求如下： ① 負載改變時，保持輸出電壓不變，使負載電流Iout在10 ~ 20 A 之間變化時，兩個模塊的輸出電流可在5 ~ 15 A 范圍內(nèi)按指定的比例自動分配，每個模塊的輸出電流相對誤差的絕對值不大于2%.② 額定輸出功率工作狀態(tài)下，進一步提高供電系統(tǒng)效率。③ 具有負載短路保護及自動恢復(fù)功能，保護閾值電流為20A（ ± 0. 2 A 的偏差） ，系統(tǒng)總體組成框圖如圖1 所示。

　　1. 1 核心處理器方案選擇

　　DSP 具有運算速度快、支持浮點運算、測量精度高、抗干擾能力強的優(yōu)點。DSP 器件采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，可以同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP 器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。DSP（ TM320LF2407A） 自帶的幾路12 位A/D 轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求的精度，DSP 器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT 快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。另外該DSP 器件還具有高速、同步串口和標準異步串口?；谝陨显蛭覀儾捎靡訢SP（ TM320LF2407A） 為核心的控制器。

　　1. 2 主電路DC-DC 變換器選擇

　　采用BUCK 變換電路，此電路體積小，電路相對于單端反激變換電路更加簡單，效率相對于單端反激變換電路會更高，少了很多可以增加損耗的地方而且不用繞制變壓器，減少了損耗與變壓器噪聲等問題，故選擇此方案。

　　1. 3 開關(guān)管的選擇

　　選擇場效應(yīng)管IR2125 作為開關(guān)管，此管子導(dǎo)通壓降低且導(dǎo)通電阻僅有幾十毫歐，損耗相對于IGBT 作為開關(guān)管的方案要小很多，因此我們選擇此方案。

　　1. 4 控制策略選擇

　　本設(shè)計采用電壓、電流雙閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)的方式控制輸出電壓，并使其開關(guān)電源并聯(lián)供電能夠按照預(yù)設(shè)比例進行分流。我們用小電阻采集兩個開關(guān)電源各自的電流信號和總體的輸出電壓信號，經(jīng)過信號的調(diào)理傳送給DSP，采用PI 調(diào)節(jié)電流控制的方式進行分流調(diào)控，達到穩(wěn)定輸出電壓分配輸出電流的效果。

2 理論分析與電路實現(xiàn)

　　2. 1 理論分析與計算

　　系統(tǒng)需要檢測的電壓是BUCK 變換器輸出的12. 0± 0. 4 V 電壓，BUCK 變換器電路原理圖如圖2 所示。

　　根據(jù)圖2 所示的BUCK 電路，可得到如下公式：

　　令τid = 2. 63 × 10 - 3，消除大慣性環(huán)節(jié)，可得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

　　電壓外環(huán)設(shè)計

　　結(jié)合圖3，可以得到電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，如圖4 所示。

　　2.2 電壓電流采集、調(diào)理電路

　　為減小共模輸入信號，可采用差動輸入式電壓放大電路和高共模抑制比的運放LM358，將輸出電壓按比例減小，減小為2 V 左右的信號經(jīng)RC 低通濾波后送入DSP 的A/D.

　　系統(tǒng)需要檢測的電流是并聯(lián)BUCK 變換器各自的輸出電流，將電流檢測轉(zhuǎn)換為電壓檢測，為減小采樣電阻損耗，阻值取為0. 1 Ω 左右，故需放大電壓小信號，為減小共模輸入信號，采用兩級放大，前級采用差動輸入式電壓放大電路，這里選擇放大倍數(shù)為10 倍，放大后的信號經(jīng)RC 低通濾波后送入DSP A/D.

　　信號調(diào)理模塊主要是由增益可調(diào)的AD603 實現(xiàn)的，其放大倍數(shù)可以通過DSP 調(diào)節(jié)，由DSP 來判斷當(dāng)前信號幅度的大小，經(jīng)過一定的運算處理后給出一一對應(yīng)的數(shù)字量控制信號，然后經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)的模擬量來控制放大電路的增益，可讓輸出電壓連續(xù)變化。AD603 通過軟件控制輸出，使之輸出電壓連續(xù)變化通過調(diào)節(jié)反饋電位器可實現(xiàn)輸出幅度≥5 V，信號調(diào)理電路如圖5 所示。

　　2. 3 DC/DC 變換器穩(wěn)壓方法和均流方法

　　采集的電壓和電流信號送入DSP，經(jīng)PI 算法，產(chǎn)生PWM 波，控制驅(qū)動電路產(chǎn)生脈寬可變的驅(qū)動脈沖，改變開關(guān)管開關(guān)時間，實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，保持輸出電壓穩(wěn)定，使輸出電流按比例分配。

　　2. 4 過流保護

　　電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)中，將檢測到的電流信號與過流保護預(yù)設(shè)信號比較，若出現(xiàn)過流，則封鎖PWM 輸出脈沖，驅(qū)動脈沖消失，開關(guān)管關(guān)閉，由軟件實現(xiàn)。

3 程序設(shè)計主程序流程圖

　　如圖6 所示。

　　4 系統(tǒng)測試

　　4. 1 硬件測試

　　將開關(guān)管驅(qū)動與BUCK 變換器的開關(guān)管相連，給IR2125 輸入端加上PWM 波，測試系統(tǒng)開環(huán)運行情況，測量BUCK 電路在輸入36 V 下的輸出電壓大小，改變負載測量電壓波動，對信號調(diào)理電路可單獨測試，電流檢測電路輸入幾十mV 小信號，測量輸出信號和紋波大小，測試其是否滿足要求以及進一步改進。

　　4. 2 硬件軟件聯(lián)調(diào)

　　將信號檢測模塊與DSP 系統(tǒng)相連，DSP PWM 輸出端與IR2125 的控制脈沖輸入端相連，測試系統(tǒng)在電壓和電流雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)下的運行情況及測量輸出電壓波動大小和電流的自動分配。

　　下面以設(shè)定分流比例，以36 V DC 輸入，輸出電壓保持在（ 12. 0 ± 0. 4） V 以內(nèi)，輸出電流之和在5 ~ 20 A內(nèi)變化進行系統(tǒng)檢驗， I1， I2 分別為兩路輸出的電流信號，測量結(jié)果見表1.

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)采用DSP（ TMS320F28335） 作為控制和計算中心，處理來自電阻采樣而來的電流信號與電壓信號，利用雙閉環(huán)系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)算法，使并聯(lián)DC-DC輸出穩(wěn)定，并且可以實現(xiàn)均流，和任意給定的比例下準確分流，在過流時候封鎖輸出，故障消除自動恢復(fù)運行的保護設(shè)計，硬件電路簡單，靈活性好，從測試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運行情況來看，本系統(tǒng)的誤差較小，運行穩(wěn)定可靠，經(jīng)實地測試，能夠較好滿足現(xiàn)場的實際需要。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的推廣和使用價值。