基于DSP的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

朱亦丹，張小偉

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和工業(yè)企業(yè)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)應(yīng)用水平進(jìn)一步增強(qiáng)，開關(guān)電源尤其是數(shù)字信號處理技術(shù)下的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計逐步得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)模式下的基于模擬控制技術(shù)的開關(guān)電源發(fā)展歷經(jīng)多年，理論知識與實(shí)踐應(yīng)用較為成熟，但由于模擬控制技術(shù)存在著自身無法克服的重要缺陷，而數(shù)字開關(guān)電源技術(shù)的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了該缺陷，為電力電子產(chǎn)業(yè)注入了全新的發(fā)展活力。因此，隨著當(dāng)代社會數(shù)字化控制技術(shù)和數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，市場需求推動下的基于DSP的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)。在此背景下，本文探討研究了基于數(shù)字信號處理的數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用，具備重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價值。

1 DSP相關(guān)概述

DSP是基于數(shù)字運(yùn)算原理及對應(yīng)處理技術(shù)下的重要信息微處理器，圖1即為數(shù)字信號處理系統(tǒng)。在數(shù)字信號處理過程中，模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為排序為0或1的一系列數(shù)字序列，隨后采用電路運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)字濾波工具進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算及數(shù)字化處理，再進(jìn)一步將獲取得到的數(shù)字化運(yùn)算結(jié)果與處理結(jié)果，通過數(shù)字信號處理設(shè)備自身所具備的算法架構(gòu)完成數(shù)字信號到電力電子結(jié)構(gòu)中控制量的轉(zhuǎn)化與生成，最后借助PWM信號或者數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為模擬信號或控制量。由于數(shù)字信號處理技術(shù)本身具備強(qiáng)大的計算能力，且整個計算過程靈活多變，能根據(jù)計算目標(biāo)進(jìn)行結(jié)果導(dǎo)向的編程運(yùn)算，因此采用數(shù)字信號處理技術(shù)，能夠處理多條相關(guān)的計算數(shù)據(jù)，保證計算質(zhì)量。與其他傳統(tǒng)模式下的模擬處理器相比，數(shù)字信號處理器在數(shù)字信號處理方面具備難以比擬的重大優(yōu)勢。

圖1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)邏輯示意圖

2 基于DSP的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計

2.1 整體電路設(shè)計

基于數(shù)字信號處理技術(shù)的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計整體電路主要包括輸入電網(wǎng)濾波、輸入整流濾波、DC-DC變換、設(shè)備輸出濾波、數(shù)字信號處理控制電路、驅(qū)動電路、電壓電流反饋電路以及人機(jī)接口電路等重要組成部分，其整體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。在基于數(shù)字信息處理技術(shù)的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計過程中，交流電輸入電壓經(jīng)過電網(wǎng)濾波與整流濾波后得到相對應(yīng)的直流電壓，而該直流電壓再經(jīng)過DC-DC變換電路內(nèi)部各相關(guān)結(jié)構(gòu)的高頻逆變和高頻變壓器隔離變換后，形成一系列相對應(yīng)的輸出直流電壓值，最終經(jīng)過輸出濾波電路得到終端所需的高質(zhì)量高品質(zhì)的直流電壓[1]。在輸入電網(wǎng)濾波與輸入整流濾波、輸出濾波電路甚至輔助電源電路等諸多部分的基礎(chǔ)設(shè)計后，基于數(shù)字信號處理的數(shù)字開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)模式下的模擬控制技術(shù)電源電壓設(shè)計系統(tǒng)截然不同，而人機(jī)接口電路的存在主要是為檢測數(shù)字信息處理技術(shù)下電源開關(guān)設(shè)計后的各項參數(shù)及處理器基準(zhǔn)電壓數(shù)值，保證相關(guān)參數(shù)信息能達(dá)到預(yù)先設(shè)計指標(biāo)。

圖2 數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計整體架構(gòu)圖

2.2 DSP控制電路設(shè)計

基于數(shù)字信號處理的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計過程中，數(shù)字信號控制電路設(shè)計是其重要內(nèi)容。在采用DSP處理器為核心控制芯片的基礎(chǔ)上，利用輸出電壓和電感電流在反饋網(wǎng)絡(luò)上的不同表現(xiàn)，將反饋網(wǎng)絡(luò)上的相應(yīng)反饋信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息處理技術(shù)所需的電平數(shù)據(jù)，進(jìn)一步將其傳遞到數(shù)字信號處理過程中的AD轉(zhuǎn)換接口，利用轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號與人機(jī)接口處的電路輸入電壓值基準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，在所有數(shù)據(jù)信號經(jīng)過電壓電流調(diào)制后獲得相對應(yīng)的正弦調(diào)制信號數(shù)據(jù)[2]。經(jīng)過正弦調(diào)制后的數(shù)據(jù)信號與數(shù)字信號處理器定時產(chǎn)生的三角波載波數(shù)據(jù)信號相交，輸出帶有一定參數(shù)值的脈沖寬度調(diào)制模擬控制信號，最后借助數(shù)字信息處理系統(tǒng)中的驅(qū)動單元，將控制信號傳輸?shù)浇^緣柵雙極型晶體管，完成整個數(shù)字信號處理過程。

2.3 DC/DC變換電路設(shè)計

由于全橋式變壓隔離器開關(guān)管能在承受最小化開關(guān)電壓和最小化開關(guān)電流的基礎(chǔ)上，保證整個電路系統(tǒng)中的功率開關(guān)處于非常安全的運(yùn)行狀況，且整個電路主變壓器只需一個原邊繞組，即可借助其正反方向的改變變換整個電路的電壓，得到相對應(yīng)的正反向磁通變量。副邊繞組則采用全橋全波整流方式輸出，變壓器鐵芯和繞組能夠得到最大限度的利用，電流功率的利用效率和利用密度能得到最大限度提升[3]。因此，在基于數(shù)字信號處理的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)過程中，采用全橋隔離使PWM變換器借助絕緣柵雙極型晶體單管容易驅(qū)動，并具有管路電壓高以及電流值大等諸多優(yōu)勢，將其利用于大功率開關(guān)電源電路的設(shè)計過程，整個DC/DC變換電路設(shè)計如圖3所示[4]。

圖3 DC/DC變換電路設(shè)計圖

由圖3可知，數(shù)字化電源開關(guān)設(shè)計系統(tǒng)中的任意一個絕緣柵雙極型晶體單管旁均配備有一定參數(shù)值的阻容吸收回路。在絕緣柵雙極型晶體單管電路電壓或者電流過大瞬間斷開時，緩沖器元件能通過提供交流通道減少數(shù)字信息處理技術(shù)下功率管斷開時的集電極電壓應(yīng)力的增加幅度，確保整個變換電路處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 驅(qū)動電路設(shè)計

在基于數(shù)字信號處理技術(shù)的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計過程中，由于常規(guī)PWM波驅(qū)動電路能力有限，而絕緣柵雙極型晶體管要求PWM波的驅(qū)動能力在一定限值以上，因此在數(shù)字信號處理器和絕緣柵雙極型晶體管之間必須配備相對應(yīng)的驅(qū)動電路，以增強(qiáng)整個電路回路的正常運(yùn)行能力，保證絕緣柵雙極型晶體管能夠在最短時間內(nèi)開通或關(guān)閉整個電路[5]。在此過程中，驅(qū)動電路主要完成弱電控制回路與大功率強(qiáng)電主回路之間的電氣隔離及通過驅(qū)動電路提供絕緣柵雙極型晶體管開關(guān)所需電壓和電流兩大功能。在此背景下，本文采用保護(hù)功能完善、工作頻率穩(wěn)定卻頻率值較高、外在可調(diào)節(jié)參數(shù)較多、價格低廉且能與其他各種類型驅(qū)動器兼容的光耦隔離驅(qū)動芯片，典型光耦內(nèi)部電路如圖4所示。利用數(shù)字信息處理技術(shù)產(chǎn)生的PWM信號，從驅(qū)動芯片引腳輸入處開始，通過驅(qū)動芯片的內(nèi)部控制與轉(zhuǎn)換，使其從引腳輸出，與驅(qū)動信號連接，從而控制整個電路開關(guān)器件的聯(lián)通與關(guān)閉。

圖4 典型光耦內(nèi)部電路圖

2.5 數(shù)字PID控制算法

數(shù)字PID控制算法是實(shí)行采樣控制的重要技術(shù)理論，能根據(jù)采樣時刻的瞬時偏差值計算整個電路的實(shí)際控制量，圖5即為控制過程示意圖。在基于數(shù)字信號處理的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)過程中，利用連續(xù)的數(shù)字PID控制算法并不適用，而需將連續(xù)型PID控制算法采用離散化方法處理，使其呈現(xiàn)離散化狀態(tài)。在數(shù)字PID控制算法應(yīng)用過程中，又可進(jìn)一步將其分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，部分專家學(xué)者甚至進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)字PID算法，將其分為積分分流法、遇限削弱積分法以及不完全積分法等諸多類別[6]。在本文基于數(shù)字信號處理的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)過程中，主要采用微分先行的PID控制算法和帶死區(qū)的PID控制算法，在預(yù)設(shè)某一基準(zhǔn)電壓值的基礎(chǔ)上，根據(jù)基礎(chǔ)推理原理得到增量型PID算法，能夠有效節(jié)省整個數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計系統(tǒng)存儲空間，保證系統(tǒng)功能快速實(shí)現(xiàn)。但在此過程中，由于計算機(jī)輸出增量有限且對誤差動作影響較小，因此必要時可采取邏輯判斷方法，去掉計算機(jī)輸出增量，避免計算機(jī)增量控制難度過大而造成的積分失控，使整個電路系統(tǒng)獲得更優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

圖5 控制過程示意圖

3 應(yīng)用案例與實(shí)現(xiàn)

為進(jìn)一步探討基于數(shù)字信息處理技術(shù)的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)，本文利用DSP芯片為著重研究對象，探討DSP對數(shù)字開關(guān)電源的控制作用，重點(diǎn)分析DSP芯片的構(gòu)成及其應(yīng)用兩大部分，圖6即為待研究案例中的電源設(shè)計框架圖[7]。

圖6 待研究電源設(shè)計框架圖

就數(shù)字信息處理芯片的構(gòu)成而言，在數(shù)字電源開關(guān)實(shí)踐應(yīng)用過程中，DSP芯片主要應(yīng)用于處理電源信號，整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，由數(shù)字轉(zhuǎn)換器完成時間轉(zhuǎn)換，往往保持500 ns的高效率轉(zhuǎn)換模式，同時數(shù)字開關(guān)電源中的16路信號必須同時運(yùn)行[8]。也就是說，DSP芯片構(gòu)成的核心處理器中，必須保持與DSP芯片同樣的代碼兼容特性。此外，DSP芯片構(gòu)成還應(yīng)進(jìn)一步包含定時器、存儲器以及管理器等諸多結(jié)構(gòu)，利用數(shù)字信息處理技術(shù)高效控制數(shù)字開關(guān)電源的斷開與接通，體現(xiàn)數(shù)字信息處理技術(shù)的重要功能。

數(shù)字信息處理技術(shù)在數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)原理如圖7所示，利用具備編程功能的CPD設(shè)備，根據(jù)數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計中的數(shù)字芯片計算結(jié)果，得出相對應(yīng)的波形控制要求，再進(jìn)一步借助PWM直接控制整個數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計電路系統(tǒng)，使整個電源系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)字化控制狀態(tài)，最終結(jié)合數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計中各項硬件設(shè)備與軟件結(jié)構(gòu)，精確控制數(shù)字開關(guān)電源的連通與關(guān)閉過程，避免數(shù)字開關(guān)信號錯誤引起的誤差[9]。在此過程中，數(shù)字信號處理部分作為數(shù)字化電源開關(guān)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本軟件支撐和運(yùn)行中心，是直接連接接口電路、PWM脈沖信號及數(shù)據(jù)處理中心等重要設(shè)備的中介橋梁，引導(dǎo)著數(shù)字化開關(guān)電源系統(tǒng)的整個正常運(yùn)行過程，也是DSP芯片展示其監(jiān)督管理作用的直接體現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確處理數(shù)字化電源開關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的數(shù)字信號與開關(guān)電源信號的對接問題，實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的數(shù)字化運(yùn)行與管理，規(guī)避常規(guī)模擬狀態(tài)下的電源運(yùn)行風(fēng)險[10]。

圖7 數(shù)字信息處理技術(shù)運(yùn)行原理

4 結(jié) 論

基于數(shù)字信息處理技術(shù)的數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計，不僅具備數(shù)字化、智能化以及自動化的優(yōu)勢，更能夠有效保障電源開關(guān)的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)電源快速聯(lián)通與斷開的功能。同時，數(shù)字開關(guān)電源在數(shù)字信息技術(shù)的高效率支撐下，直接拓寬了原有功能應(yīng)用范圍，能夠處理各類型更加復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)開關(guān)問題，能夠有效控制電源的整體運(yùn)行，優(yōu)化數(shù)字開關(guān)電源流程與運(yùn)營流程，降低日常運(yùn)營成本。