一種基于降壓式數字電源控制的嵌入式軟件設計

劉少龍，曹 琳，楊啟帆，劉 力，劉濤瑜

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

工程應用中多數電源電路僅僅完成負載的供配電，設計中大多數使用成熟的模塊搭建[1-3]。這種設計不僅成本較高，同時在電源本身出現故障時無法做到故障的準確記錄、定位和隔離，從而使后級負載無法正常工作，同時電源本身的故障排查難度系數加大[4-7]。本文針對分立式器件構建的降壓式功率變換電路，給出了一種不僅能完成輸入電壓的降壓控制，而且可對功率電路和負載前端電路進行實時監控與管理的嵌入式軟件設計[8,9]。

1 數字控制電源基本架構說明

該降壓式數字電源主功率電路采用非隔離的BUCK變換器拓撲，將輸入的28 V直流信號變換為系統所需的12 V直流信號，后端設置多路選通電路以完成多路負載的獨立供電[10,11]。主拓撲BUCK電路采用分立器件搭建，開關管選用工作頻率較高的MOSFET功率管，驅動電路完成驅動信號的放大以保證開關管的正常開通和關斷[12]。數字控制電路控制芯片采用TI公司的TMS320系列型號MCU，該MCU具有多路獨立輸出的PWM功能模塊，每路輸出的PWM波頻率和占空比可根據需求進行設置，同時對應的兩路PWM輸出也可設置為頻率相同、相位相反的互補波形，該功能可滿足主拓撲的開關管控制需求。同時，主控芯片實時采集主拓撲輸入輸出參數、負載通道電氣參數和外部指令等數據，實現主功率的降壓變換和智能監控功能。

為提高數字電源負載狀態下的工作可靠性，該數字電源在主拓撲電路外設置了硬件監控支持電路，監控支持電路提供輸出電源監控、輔助電源監控、存儲電路、看門狗電路、溫度監控、通信接口、人機交互接口、計時電路以及狀態指示等電路，通過ARINC429總線、I2C總線等接口和主控MCU互聯。主控MCU獲取來自監控電路的電氣特性數據并進行解析，實現對功率變換電路的控制、各負載通道工作狀態的監控、輔助電源的狀態檢測、故障信息存儲和獲取以及對外維護接口。

控制軟件駐留在主控芯片MCU上，實時讀取主功率回路的各項電氣參數，完成數字電源降壓變換拓撲的工作控制，確保輸出穩定的12 V直流信號，保證多路負載的正常工作。同時對負載電路和外圍硬件電路進行監控，對檢測出的故障進行實時記錄存儲，同時提供人機交互界面完成設備構型信息的升級和工作狀態信息、故障信息的輸出。控制軟件通過I2C總線和ARINC 429總線完成設備與外部應用軟件的板間通信功能。

2 軟件架構設計

控制軟件為單進程、單線程的工作模式，程序采用主程序加中斷服務函數的設計思路。軟件主要完成功率變換電路工作控制、智能監控與管理和信息通信3個功能，各功能塊之間通過內部接口完成信息傳輸，確保降壓變換電路輸出的直流電壓幅值穩定、各輸出通道工作可靠。軟件編碼采用模塊化的設計思路，確保設計的復用性和維護性，邏輯架構如圖1所示。

圖1 軟件邏輯架構

如圖1所示，軟件邏輯架構主要分為3個功能塊，分別為功率控制、智能監控與管理以及信息通信。功率控制部分接收來自智能監控與管理功能塊的電壓、電流、溫度等電氣參數信息并進行解析處理，得出功率變換開關管的導通占空比，然后通過片上的ePWM外設接口輸出預設占空比的功率管驅動PWM信號至外部驅動電路，完成BUCK電路的工作控制。

功率控制功能塊可分為智能監控與管理部分，完成功率變換電路、外圍硬件電路以及片上程序的實時監控和管理，確保輸出多路負載的正常工作。當電路出現故障時，關閉輸出通道的開關并對故障的類型、故障編號、時間、次數等信息進行記錄和存儲，以方便后期的故障定位與維修。信息通信部分完成板間的命令獲取和工作狀態的周期上報，實現與外部設備的信息交互，同時提供人機交互接口，實現軟硬件構型信息的編輯維護和軟件程序的加載固化。

軟件運行流程如圖2所示。上電或復位完成后，軟件開始運行。首先，完成片上存儲器、片上外設、對外接口、輸入輸出端口以及控制環電壓電流參考值的初始化，上電初始化完成后執行上電BIT，對智能監控與管理部分電路的外圍基本硬件進行檢測，檢測結果正常則進入功率控制功能塊，執行降壓電路的主功率控制，異常則進行故障記錄和分析，若故障不影響繼續運行則仍進入功率控制模塊。進入功率控制模塊后，首先獲取來自主功率回路的電壓和電流值，經過雙PI環控制后，由PWM輸出調節組件輸出目標占空比的PWM波，控制功率變換電路的正常工作。溫度監控和周期BIT組件循環執行，確保功率變換、負載輸出通道的正常工作。軟件的外部通信采用中斷的方式，即當通信接口傳來外部消息時，立即進入相應的中斷服務函數，完成信息接收、解析以及發送后，程序返回至主程序繼續運行。

圖2 控制軟件運行流程

3 軟件實現

控制軟件主要分為3個功能塊，每個功能塊又分別包含多個子功能組件。其中，功率控制功能塊包含3個子功能組件，分別為電壓環PI控制組件、電流環PI控制組件以及PWM輸出調節組件。電壓環PI控制組件又稱為外環PI控制組件，完成實際輸出電壓和參考電壓間的PI計算；電流環PI控制組件又稱為內環控制組件，完成參考電流值和實際電流值的PI計算，為減小輸入電壓變化對輸出電壓的影響，在電流環PI中增加了輸入電壓前饋控制，這樣當輸入電壓發生變化時，參考電流值隨之變化，無需經電壓控制器調節，閉環響應快速性大大提高；PWM輸出調節組件接收來自電流環PI控制組件輸出的脈沖寬度調制占空比數據，選擇適當的頻率，調用片上ePWM接口模塊輸出PWM脈寬調制信號，控制功率變換電路的開關管正常工作。功率控制功能塊的運行流程如圖3所示。

圖3 功率控制功能模塊運行流程

智能監控與管理功能塊共包含6個功能組件，分別是上電初始化、上電BIT、周期BIT、故障記錄、電氣參數采集以及溫度監控。

上電初始化組件運行在程序的最開始，完成片上內存、所有片上對外接口、片外硬件外設、關鍵寄存器數據、重要控制數據等的初始化配置、預設值寫入，確保其他功能組件運行時所需必要數據的完備性和正確性。上電BIT完成監控管理輔助功能的檢測，檢測內容包括風機、外置NVRAM、RTC、離散量等。檢測結果正常時程序繼續運行，檢測出故障時首先對故障進行記錄，記錄信息包括故障發生的精確時間、故障編號、次數信息等數據，然后再對故障類型進行判斷。當故障對后續主功能的影響較小時，程序可繼續運行。

周期BIT按照預設的周期值循環運行，完成程序正常運行時所有功能的檢測和監控，檢測項包括溫度、功率變換電路前端輸入電壓、功率變換電路后端輸出電壓電流、多路負載通道的輸出電壓和輸出電流、看門狗等。當故障發生后，立即調用故障記錄功能組件對故障進行記錄和分析，故障記錄方式和上電BIT相同，均是將故障信息存入外置NVRAM中，以供人機交互功能組件讀取。電氣參數采集功能組件完成輸入輸出電流值和電壓值的采集，對采集到的模擬信號進行解算，作為功率控制功能塊的關鍵輸入信號完成主功率變換電路的雙閉環控制。

溫度監控功能組件通過外置溫度監控芯片獲取系統工作的實時溫度值，溫度監控芯片放置于對溫度變換較為敏感的降壓型功率變換的開關管附近，以更好地達到溫度監控的目的。同時溫度監控功能組件根據采集到的溫度信息控制風機的工作，達到系統正常散熱的要求。智能監控與管理功能塊各功能組件間的交聯關系如圖4所示。

圖4 智能監控與管理各組件間信號交聯關系

信息通信功能塊完成所有板間通信信號的接收和發送，包括人機交互組件、I2C通信組件和ARINC429通信組件。人機交互組件為調試專用接口，完成重要電氣參數和信息的輸出、維護信息的編輯、故障日志的導出以及工廠模式下程序的升級和維護。I2C通信組件接收上層應用的控制命令，執行負載通道的輸出控制。ARINC429通信組件接收上層應用的飛行關鍵信息，并將所有軟硬件運行狀態匯總并上傳。

4 軟件功能驗證

軟件功能驗證采用硬件結果測試和軟件子功能塊測試用例測試相結合的方式。功率控制功能塊采用硬件結果測試的方式，通過調節輸出的脈沖調制方波，使用示波器觀測主控制電路輸出的電壓、電流波形，并對波形的紋波進行分析，結果顯示軟件對功率變換電路的閉環控制作用良好，輸出電壓穩定、紋波小，輸入電壓前饋控制響應速度滿足要求。軟件其他功能塊采用測試用例分別進行測試，測試結果表明各軟件功能塊和對應的功能組件均可達到預設的結果。

5 結 語

開關電源的數字控制避免了使用外圍電路復雜的集成控制芯片，不僅具有控制方式靈活、控制精度高、閉環響應速度快的優點，同時兼顧了對外圍硬件的監控和管理以及板間通信的功能。經過測試和分析，該嵌入式數字控制軟件達到了預期的控制效果，具備良好的工程應用價值。