數字控制的開(kāi)關(guān)電源設計方案

　　引言

　　在高功率因數校正AC/DC電路中廣泛采用UC3842、UC3855A等專(zhuān)用控制芯片來(lái)實(shí)現功率因數校正，而在移相全橋DC/DC電路中廣泛采用TL494、UC3875等專(zhuān)用電源芯片來(lái)驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管，特定的電源芯片本身不可編程、可控性較差、難以擴展以及不易升級維修，同時(shí)電源芯片為模擬控制芯片，具有模擬電路難以克服的由溫漂和老化所引起的誤差，無(wú)法保證系統始終具有高精度和可靠性，克服以上缺點(diǎn)可采用數字控制器DSP代替傳統的模擬控制芯片。目前數字處理（DSP）技術(shù)逐漸成熟，新一代DSP采用哈佛結構、流水線(xiàn)操作，即程序、數據存儲器彼此獨立，在每一時(shí)鐘周期中完成取指、譯碼、讀數據以及執行指令等多個(gè)操作，從而大大減少指令執行周期。另外，由于其特有的寄存器結構，功能強大的尋址方式，靈活的指令系統及其強大的浮點(diǎn)運算能力，使得DSP不僅運算能力較單片機有了較大地提高，而且在該處理器上更容易實(shí)現高級語(yǔ)言。正是由于其特殊的結構設計和超強的運算能力，使得以前需要硬件才能實(shí)現的功能可移植到DSP中用軟件實(shí)現，使數字信號處理中的一些理論和算法可以實(shí)時(shí)實(shí)現。

　　1 數字控制開(kāi)關(guān)電源系統

　　該通信開(kāi)關(guān)電源主要由主電路和控制電路組成，主電路主要由單相高功率因數校正AC/DC變換電路和移相全橋軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換電路組成，它包括單相交流輸入電源、濾波網(wǎng)絡(luò )、整流電路、Boost高功率因數校正電路和移相全橋變換電路?？刂齐娐分饕―SP數字控制器，它由DSP、驅動(dòng)電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。系統主電路和控制電路原理框圖如圖1所示，圖1中E表示輸入電壓及電感電流、輸出電壓及電流和主開(kāi)關(guān)管漏極電壓、采樣電路；B表示功率開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路；F表示輸出電壓及電流、原邊電感電流和4個(gè)開(kāi)關(guān)管漏極電壓采樣電路。

　　1.1 單相功率因數校正AC/DC變換電路

　　單相功率因數校正AC/DC變換電路采用Boost型ZVT-PWM變換器，其電路圖如圖2所示。該電路能實(shí)現主開(kāi)關(guān)管S的零電壓開(kāi)通和二極管D的零電流關(guān)斷。

　　1.2 移相全橋軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換電路

　　移相全橋軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換電路采用如圖3所示的全橋DC/DC變換器。

　　1.3 基于DSP的硬件電路設計

　　針對TMS320F2812為核心的數字控制電路如圖4所示。從圖4中可以看出，控制系統主要包括以下幾部分：DSP及其外圍電路、信號檢測與調理電路、驅動(dòng)電路和保護電路。

　　其中，信號檢測與調理電路主要完成對圖2輸入電流和電壓采樣、A/D等功能，DSP產(chǎn)生脈沖信號然后通過(guò)D/A轉換后驅動(dòng)圖2，3的功率開(kāi)關(guān)管。

　　1.4 系統控制算法軟件實(shí)現

　　DSP數字控制能夠實(shí)現較之模擬控制更為高級而且復雜的策略，與模擬控制電路相比較，數字控制電路擁有更多的優(yōu)點(diǎn)：數字PID系統相對于模擬PID系統具有設計周期短、靈活多變易于實(shí)現模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。數字控制系統主程序圖如5所示。主程序的作用：初始化，其中包括給控制寄存器賦初值，這時(shí)系統工作時(shí)鐘開(kāi)CAP1INT、CAP2INT中斷，在等待中斷的空閑時(shí)間內采集輸出信號，設置ADC轉換結束標志位為1.為保證程序的正常運行要禁止看門(mén)狗，設置PWM信號的頻率和死區時(shí)間，設置通用定時(shí)器1和2的控制寄存器，設置捕獲控制寄存器檢測下降沿。

　　2 實(shí)驗結果及其分析

　　設交流輸入電壓220V，輸出電壓為48V，輸出功率為1000W，效率為95%，變換器工作頻率為100kHz.

　　2.1 單相功率因數校正AC/DC變換器升壓電感計算

　　Boost升壓電感的計算必須是在最差的情況下得到，即輸入最低電壓，而輸出滿(mǎn)載的時(shí)候來(lái)確定，其輸入電流：

　　允許的紋波電流一般是取輸入電流的20%，即：

　　在最低線(xiàn)電壓時(shí)最小占空比為：

　　由電磁感應的基本公式推導出臨界電感為：

　　因此可取升壓電感L=470H.

　　2.2 移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器濾波輸出電容計算

　　選擇輸出電容時(shí)，電容的輸出電壓維持時(shí)間非常重要。當輸入能量截止時(shí)，要求電容電壓仍可維持在某特定范圍內，輸出濾波電容由以下公式計算：

　　2.3 仿真結果及分析

　　為了驗證基于DSP控制數字開(kāi)關(guān)電源設計的可行性和參數選擇的正確性，利用Pspice軟件對圖1所示的系統進(jìn)行仿真，仿真波形圖如圖6，7所示。圖6為輸入交流電壓和電流仿真波形圖，從圖6中能清楚的看到輸入電流很好跟隨交流輸入電壓，實(shí)現了功率因數校正的目的。圖7所示為輸出電壓仿真波形，從圖7中可以看到輸出為一條比較光滑的48V直流電壓。仿真結果跟理論計算的結果完全符合，達到了預期的目的。

　　2.4 試驗結果及分析

　　最后，設計了基于TMS320F2812的功率因數校正實(shí)驗電路，實(shí)驗結果如圖8所示，該圖為輸入電壓和輸入電流波形，波形顯示了輸入電流很好的跟隨了輸入電壓，達到了功率因數校正的目的。實(shí)驗結果表明在通信開(kāi)關(guān)電源中用數字控制器代替模擬控制器是可行的。

　　3 結語(yǔ)

　　數字開(kāi)關(guān)電源相對模擬開(kāi)關(guān)電源，具有不可比擬的優(yōu)勢，如減少電源的體積和重量，提高控制精度以及維修升級方便。

　　隨著(zhù)控制理論與實(shí)施手段的不斷完善以及DSP價(jià)格不斷的降低，數字控制開(kāi)關(guān)電源將成為今后一個(gè)重要的研究方向。