基于DSP的自動氣象站開關電源設計

鄧海利，李永果，趙京峰

(山東省濟寧市氣象局，山東 濟寧 272000)

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基于DSP的自動氣象站開關電源設計

鄧海利，李永果，趙京峰

(山東省濟寧市氣象局，山東 濟寧 272000)

摘要:運用TI公司的TMS320X28x 系列的微控器作為核心，設計了一款適用于自動氣象站用的開關電源。該開關電源設計分為硬件部分和軟件部分設計，通過軟件仿真得出運行結果，結果表明：該開關電源的電流能很好地跟隨電壓，穩定輸出所用時間短，達到預期效果，可以滿足自動氣象站需求，提高電源的遠程維護能力。

關鍵詞：DSP；自動氣象站；數字開關電源；電路

0　引　言

自動氣象站是氣象業務的重要組成部分，合理布置自動氣象站的數量和密度，可以提高氣象數據的精確度，從而提高氣象預報的準確度。傳統自動氣象站電源維護較為困難，電磁兼容性相對較差。隨著數字信號處理器(DSP)的運算速度顯著提高，價格卻逐步降低，使得傳統中只能用于精密、高端通信設備的DSP可以運用在自動氣象站電源中。該新型電源的優點:采用數字信號可避免模擬信號傳輸過程中的失真；降低外界噪聲對控制信號的干擾；電源體積小，便于安裝和維護；可以根據實際工作需求寫入遠程通信軟件，用于遠程控制和監控，便于故障排除。

1　設計目的和要求

以DSP為基礎，設計了一款具有有源功率因數校正電路的數字開關電源。該電源能夠滿足自動氣象站的用電需求。該數字電源的主要技術指標與性能參數如下： 輸入交流電壓為市電220 V±20%； 輸出直流電壓為48 V；輸入電壓頻率：50 Hz±10%； 輸出功率：500 W； 開關頻率：80 kHz； 功率因數：>0.99[1]。

2　設計的總體方案

基于DSP 的數字開關電源的硬件組成包含以下幾個部分：

(1)EMC模塊：消除220 V市電的共模和差模干擾，并減小開關產生的高頻干擾進入市電，減小對市電的干擾；

(2)PFC 模塊：提高電源的功率因數，減小無功功率；

(3)DC-DC模塊：電壓變換，轉變為所需要的電壓輸出；

(4)控制器模塊：完成電壓、電流采樣，反饋，控制直流電壓穩定輸出，與主機進行通信，反饋電源狀態，實現智能控制；

(5)驅動電路：DSP輸出的PWM 波不能直接驅動MOSFET，需要驅動電路轉換為合適的電壓和較大的驅動能力。其硬件總體結構圖如圖1。

圖1 開關電源總體結構圖

3　設計詳細原理

3.1　EMI 及整流電路模塊

數字開關電源有自身的優勢，但是其所面臨的電磁兼容問題，對系統的可靠正常運行的影響也越來越嚴重[2]。在所有開關電源中，電磁兼容(EMC)問題尤其重要,解決這個問題的方法是采用濾波器，濾波器結構如圖2所示。電路中包括L1和L2構成的共模扼流圈(也稱共模電感,兩者繞向和匝數均相同)、濾波電容C1～C4。共模扼流圈對差模干擾不起作用，但當出現共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環上，當有電流通過時，兩個線圈上的磁場就會互相加強，它們在閉合磁環中的磁場相反而相互抵消。

圖2 EMI濾波器

3.2　PFC 電路的硬件設計

任意一種 DC/DC 變換器從理論上都可以作為PFC電路的拓撲結構。但由于 Boost 型變換器特有的性質，它被廣泛地作為PFC電路的首選結構。其主要優點有： 開關器件承受壓差低于輸出電壓；由于電路帶有電感元件，可有效降低電網對主電路的瞬時高頻沖擊；電磁兼容性好，具有較低的 EMI(電磁干擾)和 RFI(射頻干擾)； 輸出電壓高，便于后級電路處理；功率驅動設計簡單。

Boost 電路的基本拓撲結構如圖3所示。它由一個升壓電感 L，一個功率管Q，一個濾波電容 C 和一個隔離二極管構成。

圖3 Boost變換器電路

假設圖中各元件均為理想器件，當功率開關管 Q 導通時，電流流經電感 L和功率管Q，且不流經二極管 D，在電感 L的線圈飽和之前，電流持續增加，電能轉化為磁能存儲于電感線圈中，由電感兩端電壓左正右負。當功率開關管 Q 截止時，電感 L產生反向電動勢，其儲存的電荷經由二極管 D 給負載 R 供電，同時對電容C充電。當功率開關管 Q 再次導通時，電感重復充電，而已經完成充電的電容C 和負載 R 構成回路，C 向R 供電。 電路結構如圖4所示。

圖4 PFC電路結構

3.3　全橋 DC/DC 電路硬件設計

該電路設計采用在原邊加箝位二極管的拓撲結構，如圖5所示。圖中的D5和D6就是兩個箝位二極管。當副邊二極管的方向恢復特性使得寄生電容開始振蕩時，經過繞組的傳遞作用，副邊電壓映射到原邊，箝位二極管導通，從而實現抑制副邊二極管電壓尖峰和振蕩問題。同時D5、D6在一個周期內各自只導通了一次，這在一定程度上減小了電流損耗。

圖5 帶箝位二極管的移相全橋變換器

3.4　驅動電路設計

由 DSP 輸出的 PWM 波的電壓等級和功率無法直接驅動 MOSFET，往往需要驅動電路來實現PWM控制。值得注意的是如果不加電氣隔離措施，直接驅動功率器件，控制芯片容易受到干擾，嚴重的還會被反饋電壓損壞。良好的驅動隔離電路的設計可以提升系統的穩定性和安全性。

在設計MOSFET驅動電路時，主要考慮驅動電流大小、驅動電壓的穩定性、開關速率、抗干擾性、是否有電氣隔離等問題。目前常用的驅動MOSFET管的方式有以下幾種:直接驅動方式、光耦隔離驅動方式、脈沖變壓器隔離驅動方式和集成驅動器驅動方式。本設計采用光耦隔離后加驅動器驅動方式，開關電源的設計開關頻率為80 kHz，周期為12.5 μs，因此要求光耦合器件的傳輸速率要足夠快。本文選用單通道高速光耦6N137，其最高轉換速率可達10 Mbit/s，符合設計要求。驅動芯片采用經典型號IR2110，其采用了HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500 V，du/dt=±50 V/ns，15 V下靜態功耗僅116 mW；輸出的電源端電壓范圍10～20 V；邏輯電源電壓范圍(腳9)5～15 V，可方便地與TTL、CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有5 V的偏移量；工作頻率高，可達500 kHz；開通、關斷延遲小，分別為120 ns 和94 ns；輸出峰值電流為2 A[3]。由于這種驅動方案的電氣特性滿足設計指標中五個功率MOSFET的驅動要求，因此均可用同一驅動電路。其驅動電路如圖6所示。

圖6 MOSFET驅動電路

4　軟件設計

主程序需要完成對系統的初始化、開機自檢、相應數據的處理、中斷等待等幾項工作。系統初始化包括時鐘初始化、事件管理器初始化、變量初始化、AD初始化以及對定時器的設置。此外，還要判斷輸入電壓的范圍，確保輸入的外部電壓處于正常范圍之內。系統在完成這些準備工作之后，就進入開機自檢狀態。由于系統是由兩片數字控制核心分別控制前后兩級功率轉換電路，所以，兩個電路的協調工作顯得尤為重要，一旦開機過程中出現APFC異常，后級DC/DC電路可能產生損壞等嚴重后果[4]。兩片數字控制芯片以主從方式工作，前級APFC電路TMS320F28027作為從控制器，后級DC/DC電路TMS320F2812作為主控制器，所以兩個控制核心的自檢程序不同。正確的啟動順序為：先功率因數校正電路后移相全橋變換器。因此在正式啟動功率轉換電路之前，主控芯片要確定前級功率因數校正電路已經正確啟動后才能啟動后級移相全橋變換器。

5　程序調試和仿真結果

主電路中各元件的主要參數設置如下：輸入電壓：交流220 V；頻率：50 Hz；升壓電感：1.2 mH；輸出濾波電容：2 400 μF，負載：100 Ω。仿真參數中，算法為可變步長 ode23tb，最大步長設置為1e-6，相對精度1e-3。運行后得到仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7 輸入電壓和電流波形

圖8 穩態輸出電壓波形

圖 7是輸入電壓和電流波形的對比圖，電壓幅值經過 20倍比例縮小，但不影響相位，從圖中可以看到，電流波形能夠很好地跟蹤電壓波形，兩者之間的相位差很小，基本實現了功率因數校正的功能。圖 8是輸出電壓波形，可以看到，在啟動階段，電壓超調量小，達到穩定輸出所需時間短。以上結果說明 F-PI 控制器在功率因數校正電路中起到良好的控制作用，達到了預期目標。

6　結束語

基于DSP的自動氣象站數字開關電源由于其控制算法是由軟件來實現的，所以在應用中可以根據不同的環境參數，改變控制算法和策略，并且通過軟件控制，提高電源的效率、精度等。

參考文獻：

[1]劉興麗. 基于GPRS的多要素自動氣象站的設計與實現[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2010.

[2]馮利民.電力電子系統中數字控制器EMC設計[D].杭州:浙江大學, 2007.

[3]International Rectifier. IR2110 Datasheet[Z].2005.

[4]高華麗.數字開關電源的研究[D]. 南京:南京航空航天大學, 2010.

設計應用

Design of Switching Mode Power Supply for Automatic Weather Station Based on DSP

DENG Hai-li, LI Yong-guo, ZHAO Jing-feng

(Jining Meteorological Bureau of Shandong Province, Jining 272000, China)

Abstract:A switching mode power supply suitable for automatic weather station is designed using TMS320X28x from TI as the controller. The whole design is composed of hardware and software design. And simulation results show that the switching mode power supply current can follow the voltage very well. At the same time the voltage can be stable in a short time. Finally the design achieves the desired result, meets the needs of automatic weather station and has improved remote maintenance ability.

Key words:DSP; automatic weather station; digital switching mode power supply; circuit

中圖分類號：TM72

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0060-03

作者簡介：鄧海利( 1979-) , 男, 山東濟寧人, 碩士, 工程師, 主要從事雷電防護技術工作。

收稿日期：2014-12-18