基于TMS320F2808的大功率DC/DC變換器的設計

李世杰 趙 敏 任一峰

（1.中北大學信息與通信工程學院，太原 030051；2.北京茨浮測控技術研究所，北京 100023）

1 引言

在現代科技高速發展的今天，用電設備對高質量電源的需求日益增多，數字控制電源在智能化方面凸顯了優勢。DSP數字處理器的應用易于實現先進的控制方法和智能控制策略，可以從根本上提高系統的性能[5]。

本文提出了一種基于32位數字處理器TMS320F-2808的大功率DCDC變換器控制系統設計方案，整個系統包括硬件和軟件的設計，并得到了良好的實驗結果。

2 DC/DC變換器基本工作原理

本系統采用脈寬調制方式。直流電源輸入直流電壓Ui，再由功率開關管MOSFET斬波， 并且采用四個MOSFET管并聯增大輸出功率，同時采用推挽隔離工作方式，通過高頻變壓器升壓，得到高頻矩形波交流電，最后輸出整流濾波，獲得所需直流輸出電壓Uo。產生頻率固定脈寬可調的驅動信號的控制器是該系統的核心，通過控制開關管的通斷狀態，來調節輸出電壓，實現系統穩壓。

圖1 系統框圖

3 電路結構及DSP控制策略

該大功率數字DC/DC變換調節系統的主要特點為：可以通過鍵盤精確地動態設置輸出電壓并顯示輸出電壓值；采用了技術成熟且應用廣泛的PID控制策略對輸出電壓進行穩定、準確、快速的調節；過欠壓，過流的顯示保護以及蜂鳴器報警。

3.1 系統電路原理圖與DSP實現

高性能DSP處理器作為開關電源的控制核心，不僅克服了模擬控制分立元件過多、電路可靠性差、電路復雜等缺點；而且符合對電源產品實時性和精度越來越高的要求，這是低檔的單片機根本無法滿足的。

TI公司的TMS320F2808高性能DSP芯片是目前控制領域先進的處理器之一，頻率高達100MHz，并且集成了豐富的內核可以訪問和控制的外設[3]。大大提高了控制系統的控制精度和芯片處理能力。

（1）高精度EPWM達到2MHz頻率，超過11位分辨率，高精度的PWM不僅提高了電源轉換效率而且使輸出電壓控制更加精確。

（2）零CPU開銷，高達12.5MHz的A/D轉換外設具有12位分辨率，最小AD轉換時間達160ns，對于20～100kHz的開關電源來講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了變換器的高速響應要求。

（3）SCI外設采用標準的非歸零數據格式，能夠實現多CPU之間的數據通信，從而完成數字按鍵靈活控制輸出電壓值。

所以利用TMS320F2808強大、快速的信息處理能力和豐富的外設資源能夠實現大功率DC/DC穩壓電源系統的功能。

圖2 基本原理圖

3.2 系統工作過程簡述如下

該系統屬于推挽式DC/DC變換電路。直流電源輸入為20～27V穩定性較差的直流電源，DSP采用脈寬調制式（PWM）控制方式，輸出20kHz固定頻率的PWM波來控制功率上下橋臂開關管MOSFET通斷，高頻變壓器將輸入電壓進行升壓，在變壓器次級經整流濾波得到所需的直流輸出電壓。輸出電壓大小可以通過按鍵根據要求在50～120V實時、準確的設置。穩壓過程和保護機制是，通過電壓、電流霍爾傳感器將實時采集的輸出電壓、電流值的模擬信號輸入給DSP的A/D轉換外設，高性能的DSP處理器經過高速計算實時控制改變PWM波的占空比，從而使得輸出電壓的穩定和實施保護[1]。

功率輸出的設計方面，該電源系統推挽的上下橋臂分別采用將4個MOSFET管并聯方式從而使得輸出功率增大4倍。若需獲得50kW以及更大的輸出功率可以將該系統直接并聯。

4 DSP控制軟件設計

基于BOOST變換器原理，DSP依據式

式中，Vo為輸出電壓，VIN為輸入電壓，n為變壓器匝數比，D為PWM的占空比。

計算與所需輸出電壓相對應的開關控制信號的占空比，并實時地依據反饋信號進行控制信號占空比的調整。

由式（2）得Vref且ADC采樣誤差=ADC檢測值-Vref；

同時，由式（3）得 DUTY誤差=ADC采樣誤差×0.5×周期值/ADC量程，DUTY=DUTYDUTY誤差，這樣通過實時控制PWM的脈寬來保持輸出電壓穩壓。程序流程圖如3圖所示。

5 數字PID控制及動態響應參數測定

由于該系統輸出的電壓信號在不同負載的情況下或在輸入電壓變化的情況下會有失真，因此需要對該系統采用串聯PI數字控制器對輸出電壓信號進行校正控制，以實現電壓的動態穩定[4]。

圖3 軟件設計流程圖

數字PID控制器通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，由于增量式PID輸出增量，誤動作影響小；算式不需要累加，僅與最近N次的采樣值有關，較容易通過加權獲得比較好的控制效果[2]，因此，該系統采用增量式PID算法。

實驗中，輸入是穩定的可調直流電源，負載為線性負載，負載串聯1?電阻則可以通過觀測該電阻的電壓值變化來觀測負載電流的變化。

如圖所示，當負載突然加重到額定值90%以后，通過泰克TDS1012B示波器觀測PID控制對輸出電壓動態響應時間的改善，圖中1為負載電流的變化，2為輸出電壓的動態響應。

通過比較圖4，圖5中可以明顯看出，當輸入為20V，輸出為88.5V，負載電流增加突變以后，采用PI數字控制器后電壓瞬時下降幅值由1.8V降到0.8V減小約50%，動態響應時間由50ms縮減為10ms明顯增快。如圖6當負載電流減小時，雖然有PI控制器但穩定時間大約100ms遠遠大于負載電流增加的時間，這是因為輸出電容在輸出電壓降低時需要放電時間。

圖4 負載增加無PID控制動態響應圖

圖5 負載增加有PID控制后動態響應

圖6 負載減小有PID控制動態響應圖

在串聯PI控制器校正時，該控制器相當于在系統中增加了一個原點開環極點提高系統的型別，消除或減小系統的穩態誤差；一個負實零點，減小系統的阻尼程度，緩和極點對系統穩定性及動態過程中產生的不利影響，從而改善系統穩態性能，并且該控制方式控制簡單，容易實現[4]。

6 結論

實際參數測定表明，該DC/DC變換器數字調節系統滿足設計要求，具有良好的性能。

同時，利用TMS320F2808豐富的外設，可以將該系統擴展到DC/AC模塊。EPWM的時基同步和高精度相移控制外設功能，可以精確的控制DC/AC每一路PWM相位，很容易實現逆變電源并聯運行的同相控制；在光伏發電，風力發電綠色能源領域中，利用該功能還可以實現與電網的同步，所以基于TMS320F2808電源調節系統有著非常廣闊的應用前景。

[1] 馮楠,曾國宏,張佳.高頻開關電源的EM I濾波器的研究[J].電氣技術,2006(12):15-17.

[2] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社,2005.1:5-16.

[3] TMS320F280X Data Manual[M].Literature Number:SPRS230J.September 2007:11-15.

[4] 段小麗,任一峰.自抗擾控制器解決感應電機調速系統參數魯棒性問題[J].電氣技術,2009(2):12-14.

[5] 黃珍貴.高精度數控穩壓電源的研究[D]. 國防科學技術大學,2005.