基于DSP的智能電源系統設計

摘要： 介紹了一種基于DSP 的智能電源管理系統設計和實(shí)現方案。本系統以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 為控制核心，主要由信號采集模塊，電路調理模塊，DSP 處理模塊，顯示模塊，鍵盤(pán)模塊，DC-DC 并聯(lián)供電模塊和輔助供電模塊等組成。設計采用BUCK 降壓變換電路實(shí)現DC /DC 變換，設計和制作了高效率的兩路DC-DC 變換器并聯(lián)供電，此并聯(lián)供電系統能夠將36 V 直流電壓轉化為12V 直流電壓，允許電流達到20 A 長(cháng)時(shí)間工作，并且兩個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源模塊的電流可按照默認分流比例分流和控制分配比例分流兩種模式工作。另外系統進(jìn)行了抗干擾設計，使其具有較好的抗干擾能力，保證系統可靠工作。

　　0 引言

　　隨著(zhù)社會(huì )和經(jīng)濟的發(fā)展，對電源的質(zhì)量和可靠性要求越來(lái)越高，在很多關(guān)鍵的應用場(chǎng)合，比如說(shuō)地鐵站、醫院等電源供應不能有絲毫的差錯，否則會(huì )帶來(lái)嚴重的、甚至是災難性的后果。所以在很多關(guān)鍵的地方，都設有備用電源或雙路電源并聯(lián)供電，如UPS（ 不間斷電源系統） 。雙路電源并聯(lián)供電的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)： ① 擴充容量，實(shí)現大功率電源系統，② 通過(guò)冗余實(shí)現容錯功能，即當某電源模塊失效時(shí)，系統還可以提供負載功率，實(shí)現電源系統的不間斷供電。

　　但是，傳統的雙路電源并聯(lián)供電方式有其自身的局限性，比如： ① 靈活性差，在雙路電源都在線(xiàn)工作時(shí)不能實(shí)現工作電流的獨立控制； ② 不能有效實(shí)現節能，例如在野外，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源非常豐富，我們完全可以以這種綠色能源為主，其他供電方式為輔，為一些在野外工作的關(guān)鍵設備供電。但是有時(shí)太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力不足以維持設備的正常運行，如果用電池儲存，電池容量有限，完全舍棄不用，直接采用備用電源又有些可惜?；诖嗽O計并實(shí)現了一種新型供電系統。實(shí)現并聯(lián)電源的電流可按照默認分流比例分流或控制分配比例分流兩種模式工作［3］。這樣就避免了上述存在的問(wèn)題，下面以一雙通道直流電源為例介紹其實(shí)現原理和方法。

　　1 方案設計與論證

　　設計一個(gè)安全可靠、低成本、輸出功率為200 W的12 V 直流并聯(lián)供電系統應用于野外現場(chǎng)。系統能滿(mǎn)足當負載改變時(shí)，輸出電壓基本不變。并聯(lián)供電系統輸出電流可按照一定比例自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于5%.具體要求如下： ① 負載改變時(shí)，保持輸出電壓不變，使負載電流Iout在10 ~ 20 A 之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流可在5 ~ 15 A 范圍內按指定的比例自動(dòng)分配，每個(gè)模塊的輸出電流相對誤差的絕對值不大于2%.② 額定輸出功率工作狀態(tài)下，進(jìn)一步提高供電系統效率。③ 具有負載短路保護及自動(dòng)恢復功能，保護閾值電流為20A（ ± 0. 2 A 的偏差） ，系統總體組成框圖如圖1 所示。

　　1. 1 核心處理器方案選擇

　　DSP 具有運算速度快、支持浮點(diǎn)運算、測量精度高、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。DSP 器件采用改進(jìn)的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，可以同時(shí)存取程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線(xiàn)，使DSP 器件具有高速的數據運算能力。DSP（ TM320LF2407A） 自帶的幾路12 位A/D 轉換能夠實(shí)現設計要求的精度，DSP 器件還提供了高度專(zhuān)業(yè)化的指令集，提高了FFT 快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。另外該DSP 器件還具有高速、同步串口和標準異步串口?；谝陨显蛭覀儾捎靡訢SP（ TM320LF2407A） 為核心的控制器。

　　1. 2 主電路DC-DC 變換器選擇

　　采用BUCK 變換電路，此電路體積小，電路相對于單端反激變換電路更加簡(jiǎn)單，效率相對于單端反激變換電路會(huì )更高，少了很多可以增加損耗的地方而且不用繞制變壓器，減少了損耗與變壓器噪聲等問(wèn)題，故選擇此方案。

　　1. 3 開(kāi)關(guān)管的選擇

　　選擇場(chǎng)效應管IR2125 作為開(kāi)關(guān)管，此管子導通壓降低且導通電阻僅有幾十毫歐，損耗相對于IGBT 作為開(kāi)關(guān)管的方案要小很多，因此我們選擇此方案。

　　1. 4 控制策略選擇

　　本設計采用電壓、電流雙閉環(huán)PI 調節的方式控制輸出電壓，并使其開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電能夠按照預設比例進(jìn)行分流。我們用小電阻采集兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源各自的電流信號和總體的輸出電壓信號，經(jīng)過(guò)信號的調理傳送給DSP，采用PI 調節電流控制的方式進(jìn)行分流調控，達到穩定輸出電壓分配輸出電流的效果。

2 理論分析與電路實(shí)現

　　2. 1 理論分析與計算

　　系統需要檢測的電壓是BUCK 變換器輸出的12. 0± 0. 4 V 電壓，BUCK 變換器電路原理圖如圖2 所示。

　　根據圖2 所示的BUCK 電路，可得到如下公式：

　　令τid = 2. 63 × 10 - 3，消除大慣性環(huán)節，可得到電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數：

　　電壓外環(huán)設計

　　結合圖3，可以得到電壓電流雙閉環(huán)控制系統的傳遞函數框圖，如圖4 所示。

　　2.2 電壓電流采集、調理電路

　　為減小共模輸入信號，可采用差動(dòng)輸入式電壓放大電路和高共模抑制比的運放LM358，將輸出電壓按比例減小，減小為2 V 左右的信號經(jīng)RC 低通濾波后送入DSP 的A/D.

　　系統需要檢測的電流是并聯(lián)BUCK 變換器各自的輸出電流，將電流檢測轉換為電壓檢測，為減小采樣電阻損耗，阻值取為0. 1 Ω 左右，故需放大電壓小信號，為減小共模輸入信號，采用兩級放大，前級采用差動(dòng)輸入式電壓放大電路，這里選擇放大倍數為10 倍，放大后的信號經(jīng)RC 低通濾波后送入DSP A/D.

　　信號調理模塊主要是由增益可調的AD603 實(shí)現的，其放大倍數可以通過(guò)DSP 調節，由DSP 來(lái)判斷當前信號幅度的大小，經(jīng)過(guò)一定的運算處理后給出一一對應的數字量控制信號，然后經(jīng)過(guò)DA 轉換輸出一個(gè)對應的模擬量來(lái)控制放大電路的增益，可讓輸出電壓連續變化。AD603 通過(guò)軟件控制輸出，使之輸出電壓連續變化通過(guò)調節反饋電位器可實(shí)現輸出幅度≥5 V，信號調理電路如圖5 所示。

　　2. 3 DC/DC 變換器穩壓方法和均流方法

　　采集的電壓和電流信號送入DSP，經(jīng)PI 算法，產(chǎn)生PWM 波，控制驅動(dòng)電路產(chǎn)生脈寬可變的驅動(dòng)脈沖，改變開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)間，實(shí)現電壓電流雙閉環(huán)反饋調節，保持輸出電壓穩定，使輸出電流按比例分配。

　　2. 4 過(guò)流保護

　　電壓電流雙閉環(huán)調節中，將檢測到的電流信號與過(guò)流保護預設信號比較，若出現過(guò)流，則封鎖PWM 輸出脈沖，驅動(dòng)脈沖消失，開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，由軟件實(shí)現。

3 程序設計主程序流程圖

　　如圖6 所示。

　　4 系統測試

　　4. 1 硬件測試

　　將開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)與BUCK 變換器的開(kāi)關(guān)管相連，給IR2125 輸入端加上PWM 波，測試系統開(kāi)環(huán)運行情況，測量BUCK 電路在輸入36 V 下的輸出電壓大小，改變負載測量電壓波動(dòng)，對信號調理電路可單獨測試，電流檢測電路輸入幾十mV 小信號，測量輸出信號和紋波大小，測試其是否滿(mǎn)足要求以及進(jìn)一步改進(jìn)。

　　4. 2 硬件軟件聯(lián)調

　　將信號檢測模塊與DSP 系統相連，DSP PWM 輸出端與IR2125 的控制脈沖輸入端相連，測試系統在電壓和電流雙閉環(huán)反饋調節下的運行情況及測量輸出電壓波動(dòng)大小和電流的自動(dòng)分配。

　　下面以設定分流比例，以36 V DC 輸入，輸出電壓保持在（ 12. 0 ± 0. 4） V 以?xún)?，輸出電流之和? ~ 20 A內變化進(jìn)行系統檢驗， I1， I2 分別為兩路輸出的電流信號，測量結果見(jiàn)表1.

　　5 結語(yǔ)

　　本系統采用DSP（ TMS320F28335） 作為控制和計算中心，處理來(lái)自電阻采樣而來(lái)的電流信號與電壓信號，利用雙閉環(huán)系統的PID 調節算法，使并聯(lián)DC-DC輸出穩定，并且可以實(shí)現均流，和任意給定的比例下準確分流，在過(guò)流時(shí)候封鎖輸出，故障消除自動(dòng)恢復運行的保護設計，硬件電路簡(jiǎn)單，靈活性好，從測試數據與系統運行情況來(lái)看，本系統的誤差較小，運行穩定可靠，經(jīng)實(shí)地測試，能夠較好滿(mǎn)足現場(chǎng)的實(shí)際需要。實(shí)驗結果表明該系統具有良好的推廣和使用價(jià)值。