基于DSP控制的數(shù)字開關(guān)電源綜述

王愛玲，房亞民，馮 晶

（山東濟寧職業(yè)技術(shù)學院機電系，山東 濟寧272037）

開關(guān)電源具有小型、輕量和高效的特點，被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備和通信設(shè)備中。與之相對應(yīng)，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動下，DSP芯片的發(fā)展日新月異，功能日益強大，性價比不斷上升，其處理速度比CPU快10～15倍。因此，基于DSP芯片的開關(guān)電源必將擁有廣闊的前景，可用于先進的機載電源中。

1 開關(guān)電源模擬控制和數(shù)字控制的比較

1.1 模擬控制

模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9 V電池就是一種模擬器件，它的輸出電壓并不精確地等于9 V，而是隨時間變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在｛0，5 V｝這一集合中取值。

模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。

模擬控制看起來直觀而簡單，但它并不總是經(jīng)濟或可行的。其中一點就是模擬控制容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設(shè)備）和昂貴。模擬控制還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗與工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬控制還對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

1.2 數(shù)字控制

所謂電源的數(shù)字控制，也稱為“回路內(nèi)部的處理器”，是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。它必須對兩個數(shù)字串進行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來驅(qū)動電源開關(guān)，而不是使用傳統(tǒng)模擬PWM比較器。它會將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在數(shù)字域利用這些數(shù)據(jù)計算控制響應(yīng)，然后將新產(chǎn)生的控制信息加傳至系統(tǒng)。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。

實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：

（1）基于單片機控制的開關(guān)電源

單片機通過外接A／D轉(zhuǎn)換芯片進行采樣，采樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過D／A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實現(xiàn)單片機對開關(guān)電源的間接控制。這種技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個芯片，電路比較復(fù)雜；單片機經(jīng)過A／D和D／A轉(zhuǎn)換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有的單片機集成了PWM輸出，但開關(guān)電源不斷往高頻化方向發(fā)展，一般單片機的時鐘頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率和精度成反比，無法產(chǎn)生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。

（2）基于數(shù)字信號處理控制的開關(guān)電源

通過高性能數(shù)字芯片如DSP對電源實現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號采樣A／D轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管，需要驅(qū)動芯片。這樣就可以簡化控制電路，由于這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。本文研究的數(shù)字開關(guān)電源采用這種控制方式。

2 基于DSP芯片TMS320LF2407控制的數(shù)字開關(guān)電源

2.1 數(shù)字控制電源系統(tǒng)的特點

（1）以數(shù)字信號處理器DSP或單片機為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動器及PWM控制器作為控制對象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。

（2）采用“整合數(shù)字電源”技術(shù)，實現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。

（3）高集成度，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化，將大量的分立元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

（4）能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設(shè)計的數(shù)字電源達到高技術(shù)指標。

這種技術(shù)可用于負載時間恒定的應(yīng)用中，使電源運行在高頻狀態(tài)，如功率因數(shù)校正、非中斷電源、多個化學電池譯電和電機控制；還可用于采用若干可配置的PWM內(nèi)核及控制、診斷和接口電路的手機以及PDA的PMU等其它應(yīng)用。運行時間控制電路中的子電路或外設(shè)可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運行電壓，以便節(jié)能。數(shù)字電源控制可使調(diào)節(jié)器更加靈敏。

2.2 DSP芯片TMS320LF2407簡介

T MS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)專為實時信號處理而設(shè)計，該系列DSP集實時處理和控制外設(shè)功能于一身，為實現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了理想的解決方案。

TMS320LF2407在TMS320系列基礎(chǔ)上有以下特點：

（1）高性能10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換時間為500 ns，提供多達16路的模擬輸入。

（2）基于T MS320C2xx第洌的CPU核保證了其與T MS320系列DSP的代碼兼容。

（3）具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個均可提供兩個16位通用定時器和八個16位的PWM通道。

（4）高達24 k的FLASH程序存儲器。

（5）可擴展外部存儲器。

（6）五個外部中斷（兩個驅(qū)動保護、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷）。

利用高性能的DSP數(shù)字芯片對電源實現(xiàn)直接控制，可以簡化控制電路的設(shè)計，再加上這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法。

2.3 基于DSP控制的開關(guān)電源原理

基于DSP控制的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字信號處理DSP控制的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)圖

圖中DSP采用目前流行的T MS320LF2407，主要進行數(shù)字PID計算；復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD根據(jù)DSP計算的結(jié)果生成數(shù)字PWM波形控制主功率變換器，避免了模擬PWM控制器中的雙脈沖現(xiàn)象和半頻現(xiàn)象，實現(xiàn)了PWM控制的完全數(shù)字化；AID轉(zhuǎn)換電路用作電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集，芯片可采用TLC5540芯片，或者TLC2543芯片，通過此AID轉(zhuǎn)換電路采集的電壓等信號，經(jīng)數(shù)據(jù)總線低八位進入DSP，與標準正弦波信號進行比較，當檢測到輸出電壓幅度高于標準正弦波信號時，按比例降低占空比，從而實現(xiàn)對開關(guān)電源輸出正弦波和幅度的調(diào)制。DSP通過接口電路還可以擴展LCD、鍵盤進行人機交換以及通過串口RS－485或RS－232進行數(shù)據(jù)通信等。

3 結(jié)束語

基于數(shù)字信號處理的開關(guān)電源，雖然DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高，而且DSP控制技術(shù)相對較難掌握，況且利用單片機也能實現(xiàn)其部分功能，但運用DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力及其速度優(yōu)勢可以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實時性，可以快速有效地實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度，滿足逆變電源更高的要求，為電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供必要的軟硬件基礎(chǔ)。

［1］ 張 松，等.基于DSP實現(xiàn)的軟開關(guān)電源控制系統(tǒng)［J］.信息與電子工程，2003，1（2）：50－53.

［2］ 徐德鴻，沈 旭，楊成林，周鄧燕（譯）.開關(guān)電源設(shè)計指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 張毅剛，趙光權(quán)，孫 寧，俞 洋.T MS320C240x DSP原理、開發(fā)與應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱大學出版社，2006.

［4］ 張衛(wèi)寧.T MS320C2000系列DSPs原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［5］ 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［J］.開關(guān)電源技術(shù)，2005，9（21）：6－8.