基于DSP的自動氣象站開關電源設計探析

盧淞巖，譚俊松，陳 蘭，鄒 紅，青娉楚

（1.川東北強天氣研究南充市重點實驗室，四川南充 637000；2.南充市氣象局，四川南充 637000；3.遂寧市氣象局，四川遂寧 629000）

1 DSP概述

DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理），主要是利用計算機或者專用的處理設備，通過數字的形式實現信號采集、變換、濾波、識別等，得到能夠滿足實際需求的信號形式。數字信號處理可以看作是以數字形式來對信號進行表示和處理的技術，能夠對連續模擬信號進行測量或者濾波。數字信號處理輸出環節同樣需要變換到模擬域，這種操作一般是通過數模轉換器實現。在處理前，需要將信號從模擬域轉換到數字域，其實現的核心設備是模數轉換器。數據信號處理技術和相關設備都具有靈活精準的特點，抗干擾能力較強，造價低廉，而且速度相對較快，這些優勢是傳統的模擬信號處理技術和設備無法比擬的[1]。

DSP 的優點體現在幾個方面：①能夠簡化器材的數量，減少其所占據的空間。②可以減少器材之間相互連接的接頭和線材，也能夠減少人為疏忽引發的接線錯誤。③器材的減少能夠在很大程度上減少能源消耗。④軟件本身有著巨大的開發潛力，整體功能強大。⑤定點計算。在實踐中，多數DSP 采用的都是定點計算而不是浮點計算，雖然其對于數據的精準性有著較高的要求，浮點計算的實現也更加簡單，但是定點設備的運行速度更快，而且成本也更加低廉。為了避免定點計算中出現數據精度不高的問題，DSP 處理器必須在硬件和指令集方面，支持飽和計算和移位；⑥專門的尋址方式。DSP 處理器一般都支持專門尋址模式，對于常規信號的才做和處理非常有用，如模塊尋址、位倒序尋址等，這些專門的尋址模式只能通過相應的軟件才能實現[2]。

2 自動氣象站發展現狀

自動氣象站是在某個區域內，依照實際需求建設的，能夠自動完成多個要素探測，自動生成報文并定期發送到中心站的氣象站，能夠對空間區域上氣象探測數據存在的空白進行彌補。自動氣象站的主要結構包括了氣象傳感器、電源系統、全天候防護箱、通信模塊以及微電腦氣象數據采集儀等，可以對包含風速、風向、雨量等在內的10多個氣象要素進行監測，其基本原理框圖如圖1所示。2021年，我國處于運行狀態的自動氣象站的數量為5.34萬個，對比2017年下降了7.0%，分析原因，主要是隨著《國家地面氣象站布局優化方案》的頒布實施，氣象局從將近6萬個區域氣象觀測中，篩選出了8000多個站點，對國家地面氣象觀測站系統進行了補充，使得區域自動氣象站點的數量有所下降。2019—2020年，我國區域自動氣象站的數量穩定在5萬～5.5萬個。

圖1 自動氣象站原理

3 基于DSP的自動氣象站開關電源設計

從解決傳統氣象站運行問題的角度，設計出了一種基于DSP 的開關電源，其能夠很好地滿足自動氣象站運行中對于電能的需求。開關電源對自動氣象站中設備進行控制的基本原理，是在對數據進行處理的同時，實現兩種不同數字形式的對比分析，借助產生的脈沖寬度，實現電源模式驅動控制。在實際工作中，可以實現參數符號的數字化轉換。可以通過對電源系統形式的整合，滿足自動氣象站中相關設備的運行控制需求，更能夠隨時對電源功耗進行監測，測量輸出電流的大小。開關電源具備的電源自動切換和電池欠壓保護等功能，可以保障氣象站中設備的運行安全。

3.1 總體方案

電源本身包含了多個模塊。①EMC 模塊，其能夠消除市電共模以及差模造成的干擾，確保開關引發的高頻干擾不會進入到市電中，降低了對市電的負面影響；②PFC 模塊，可以在一定程度上提高電源的功率因數，有效減少無功功率；③DC/DC 模塊，主要負責電壓轉換工作，可以將電壓轉化為設備運行所需的電壓；④控制器模塊，該模塊可以對電壓和電流信息進行采集，也能夠對直流電壓進行控制，保證電壓輸出的穩定性，可以將電源狀態反饋給主機，真正意義上實現自動化智能化控制；⑤驅動電路模塊，DSP 輸出的是PWM 波，其本身無法直接驅動MOSFET，因此需要借助驅動電路的轉換功能，轉化為相對更大的驅動力。開關電源的架構如圖2所示。

圖2 開關電源結構

3.2 細節設計

3.2.1 EMI模塊設計

數字化的開關電源有著非常明顯的優勢，不過同樣存在一定的問題，即必須考慮電磁兼容對系統運行可靠性的影響。開關電源設計中，電磁兼容問題非常關鍵，一般情況下，想要解決這個問題，會設置相應的濾波器（圖2）。電路中，共模電感對于差模干擾無法起到防范作用，不過在出現共模干擾時，線圈本身相同的磁通方向使得耦合后的電感迅速增加，會對共模信號產生感抗，使得其無法順利通過。共軛電感的兩個線圈分別纏繞在鐵氧體磁環上，電流通過時線圈上會產生較強的磁場，而在閉合磁環中，相反的磁場會出現相互抵消的情況。

3.2.2 PFC模塊設計

在理論上，任意DC/DC 變換器都可以作為PFC電路的拓撲結構，不過在實踐中，PFC 電路最為常用的結構是Boost 型變換器，這種變換器的開關器件承受的壓差小于輸出電壓，電感元件的存在降低了電網對主電路產生的瞬時沖擊，而且有著很強的電磁兼容性和較低的電磁干擾，相對加高的輸出電壓可以為后級電路的處理提供便利。

在Boost 電路拓撲結構中，假定所有的元件都采用了理論上的最佳器件，功率開關管導通后，電流會先后經過電感和功率管，但是不經過二極管，電感線圈達到飽和之前，電流會處于持續增長的狀態，電能也會被轉化為磁能，存儲在電感線圈中。功率開關管再次導通過后，電感重復充電，已經充電完成的電容和負載則構成回路，由電容向負載提供電源支持。

3.2.3 DC/DC模塊設計

在對DC/DC 模塊進行設計時，在原本模塊的基礎上，加入了二極管形成拓撲結構。副邊二極管所具備的方向恢復特性使得寄生電容發生振蕩時，會經過繞組的傳遞作用，將副邊電壓映射到原邊，然后二極管得到導通，能夠有效抑制副邊二極管存在的振蕩問題和電壓尖峰問題。而在整個過程中，兩個二極管都只發生了一次導通，可以有效減小電流的損耗。

3.2.4 驅動電路設計

DSP 輸出的PWM 波不管是功率還是電壓等級，都無法實現對于MOSFET 的直接驅動，需要借助驅動電路對PWM 進行控制。需要注意的是，如果沒有對相應的電氣隔離措施進行設置，直接經由驅動電路來對功率器件進行驅動，則容易出現控制芯片被干擾的情況，影響其正常運轉，嚴重時甚至可能導致反饋電壓損壞。從設計人員的角度，需要切實做好驅動隔離電路的設計工作，以此來提高系統運行的穩定性和安全性。

在針對MOSFET 電路進行設計時，需要將各方面的影響因素考慮在內，如驅動電流、驅動電壓、開關速率、抗干擾性等。目前，比較常見的驅動MOSFET 管的方式有直接驅動、脈沖變壓器隔離驅動、光耦隔離驅動以及集成驅動器驅動等，這里采用的是光耦隔離配合集成驅動器驅動的方式。開關電源設計開關頻率控制在100 kHz，周期在13.2 μs，對于光耦合期間的傳輸速率有著很高的要求。在驅動芯片選擇中，采用的是IR2110經典型驅動芯片，配合HVIC 以及門鎖抗干擾工藝，低端輸入通道和高端輸入通道相互獨立。以自舉電路作為懸浮電源，高端輸入通道部分的工作電壓最高可以達到500 V，15 V 運行狀態下，電路的總體功耗只有116 mW。電源端輸出電壓在15～20 V，邏輯電源電壓在5～15 V 左右，要求其必須能夠實現與CMOS 以及TTL 電平的有效匹配。考慮干擾因素的存在，邏輯電源區域和功率區域之間的最大允許偏差量為5 V，工作頻率最高可以達到500 kHz。在這種情況下，開關電源的開通延遲僅為120 ns，關斷延遲為94 ns。結合相關試驗，上述驅動方案下，電氣特性可以很好地滿足相關設計指標，對于不同功率MOSFET 的驅動需要，因此在實踐中們可以使用同一個驅動電路來對所有的進行驅動。

3.3 軟件系統設計

主程序設計中，需要切實做好系統初始化以及開機自檢工作，對一些關鍵數據進行處理，同時也不能忽視中斷等待等相關內容。實踐中，系統初始化包含的內容有很多，如變量的初始化、事件管理器的初始化、時鐘的初始化以及AD 初始化等。在對系統進行初始化的過程中，需要做好輸入電壓取值范圍的準確判斷，要求其必須能夠處于正常的區間內。在完成初始化操作后，可以進行開機自檢。系統本身設置有兩個不同的數字控制核心，可以分別實現對于前后兩級功率轉換電路的有效控制，自檢環節要求兩個電路能夠實現相互協調。如果在系統開機環節，出現了APFC 異常的情況，則可能導致后級DC/DC 電路損壞等問題。兩個數字控制芯片可以采用主從工作的方式，其中，選擇TMS320F28027芯片作為從控制器，設置在前級APFC 電路中，選擇TMS320F2812芯片作為主控制器，設置在后級DC/DC 電路中，不同的控制核心需要采用不同的自檢程序。在啟動環節，需要保證啟動順序正確，先啟動功率因數校正電路，然后啟動移相全橋變換器。在對功率轉換電路進行正式啟動前，要求主控芯片能夠對前級功率因數校正電路是否得到了正確啟動進行確認，之后才能對移相全橋變換器進行啟動。

3.4 系統調試

在完成系統設計后，為了保證其可行性和可靠性，還需要根據實際需求，對系統進行調整。在系統主電路中，必須做好相關元件參數的合理設置：輸入電壓220 V，交流電；頻率50 Hz；升壓電感1.2 mH；輸出濾波電容2400 μF；負載100 Ω。

仿真參數運算中，使用的算法是可變步長ode25 tb，最大步長為1×10-6，參數的相對精度可以達到1×10-3。

對照輸入電壓與電流波形可以明確，電流波形可以實現對于電壓波形的有效跟蹤，兩者的相位差極小，基本能夠實現對于功率因數的有效校正。對照輸出電壓波形分析，在啟動階段，電壓的超調量很小，可以在相對較短的時間內，達到穩定的電壓輸出。這表明在功率因數校正電路中，控制器發揮了非常有效的控制效果，達到了預期的目標要求。

4 結語

自動氣象站能夠實現對于一定區域內氣象信息的精準采集，也可以解決無人值守問題，但是，自動氣象站在實際運行中仍然存在不穩定的問題。對此，在自動氣象站帶開關電源設計中，可引入DSP 技術，通過相應的軟件完成控制算法，使得在實際應用中能夠依照不同的環境參數，通過改變控制算法和控制策略的方式，提高自動氣象站電源控制的效率和精度，保障自動氣象站的穩定可靠運行。