基于DSP控制的数字开关电源综述

1、收稿日期 :2011-09-15作者 简 介 :王 爱 玲 (1976-, 女 , 山 东 汶 上 县 人 , 大 学 讲 师 , 工 学 硕士 , 主要研究方向 :电力电子技术及 D S P 。文章编号 :1009-3664(2012 01-0027-02研制开发基于 D S P 控制的数字开关电源综述王爱玲 , 房亚民 , 冯 晶(山东济宁职业技术学院机电系 , 山东 济宁 272037 摘要 :简要分析了开关电源的模拟控制方式的特点 。 为了将数字控制的优点引入开关电源 , 进一步提高开关电源的 性能 , 文章介绍了一种基于 D S P 芯片 TM S 320L F 2407控制的数字开

2、关电源 。 分析比较表明了基于 D S P 控制的开关电源 具有稳定快 、 失真小 、 负载对系统影响小的特点 , 数字控制技术可以在开关电源中推广应用 。关键词 :D S P ; 开关电源 ; 数字控制 中图分类号 :TM 46文献标识码 :AR e s e a r c h o n D i g i t a l S w i t c h i n g M o d e P o w e r S u p p l y B a s e d o n D S P C o n t r o l WA N G A i -l i n g , F A N G Y a -m i n g , F E N G J i n g(

3、D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l , J i n i n g P o l y t e c h n i c , J i n i n g 272037, C h i n a A b s t r a c t :T h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e s i m u l a t i o n c o n t r o l m o d e c h a r a c t e r i s t i c o f s w i t c h i n g m o d e p

4、 o w e r s u p p l y b r i e f l y . I n o r d e r t o i n t r o d u c e d a t a c o n t r o l l i n g t o p o w e r s w i t c h , a d v a n c e t h e s w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y p e r f o r m a n c e s , t h i s p a p e r i n -t r o d u c e s a d i g i t a l s w i t c h i n g m

5、o d e p o w e r s u p p l y w h i c h b a s e s o n t h e D S P TM S 320L F 2407 c o n t r o l . T h i s s h o w e s t h a t s w i t c -h i n g m o d e p o w e r s u p p l y b a s e d o n D S P c o n t r o l h a s q u i c k l y s t a b l e , d i s t o r t i o n , l o a d l i t t l e i m p a c t o n

6、t h e s y s t e m c h a r a c t e r i s -t i c s , d i g i t a l c o n t r o l t e c h n o l o g y c a n b e a p p l i e d i n s w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y . K e y w o r d s :D S P ; s w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y ; d a t a c o n t r o l l i n g 开关电源具有小型 、轻量和高效的特点

7、 , 被广泛应 用于以电子计算机为主导的各种终端设备和通信设备 中 。 与之相 对 应 , 在 微 电 子 技 术 发 展 的 带 动 下 , D S P 芯片的发展 日 新 月 异 , 功 能 日 益 强 大 , 性 价 比 不 断 上 升 , 其 处 理 速 度 比 C P U 快 1015倍 。 因 此 , 基 于 D S P 芯片的开关电源必将拥有广阔的前景 , 可用于先 进的机载电源中 。1 开关电源模拟控制和数字控制的比较1. 1 模拟控制模拟信号的值可以连续 变化 , 其时间和幅 度 的 分 辨率都没有限制 。 9 V 电池 就 是 一 种 模 拟 器 件 , 它 的 输出电压并

8、不精确地等于 9 V , 而是随时间变化 , 并可 取任何实数值 。 与此类似 , 从 电 池 吸收的电流也不限 定在一组可能的取值范围之内 。 模拟信号与数字信号 的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能 取值集合之内 , 例如在 0, 5 V 这一集合中取值 。 模拟电压和电流可直接 用来进行控制 , 如对汽车 收音机的音量进行控制 。 在模拟收 音机中 , 音量旋钮 被连接到一个可变电阻 。 拧动旋钮 时 , 电阻值 变 大 或 变小 ; 流经这个电阻的电流也随之增加或减少 , 从而改 变了驱动扬声器的电流值 , 使音量相应变大或变小 。模拟控制看起来直观而 简单 , 但它并不总

9、是 经 济或可行的 。 其中一点就是模拟控制容易随时间漂移 , 因而难以调节 。 能够解决这个问题的精密模拟电路可 能非常庞大 、 笨重 (如老式的家庭立体声设备 和昂贵 。 模拟控制还有可能严重 发热 , 其功耗与工作元件两端 电压与电 流 的 乘 积 成 正 比 。 模 拟 控 制 还 对 噪 声 很 敏感 ,任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小 。 1. 2 数字控制所谓电源的 数 字 控 制 , 也 称 为 “ 回 路 内 部 的 处 理 器 ”, 是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法 。 它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动 电源开关 , 而不是使用传统模拟 P WM

10、 比较器 。 它会 将所有模拟系统参数转 换成数字信号 , 并在数字域利 用这些数据计算控制响 应 , 然后将新产生的控制信息 加传至系统 。 通过以数字方式控制模拟电路 , 可以大 幅度降低系统的成 本 和 功耗 。 此外 , 许多微控制器和 D S P 已经在芯片上包含了 P WM 控制器 , 这使数字控 制的实现变得更加容易了 。实现开关电源的数字控制主要有以下两种方法 :(1基于单片机控制的开关电源 单片机通过外接 A /D 转换芯片进行采样 , 采样后 对得到的数据进行运算和调节 , 再把结果通过 D /A 转换后传到 P WM 芯片中 , 实现单片机对开关电源的间 接控制 。 这种

11、技术目前 已经比较成熟 , 设计方法容易 掌握 , 而且对单片机的要求不高 , 成本比较低 。 但是控 制电路由于要用多个芯片 , 电路比较复杂 ; 单片机经过 A /D 和 D /A 转换 ,有比较大的时延 , 势必影响电源的 ·72·动态性能和稳压精度 。 也有的单片机集成了 P WM 输 出 , 但开关电源不断往高频化方向发展 , 一般单片机的 时钟频率有限 , 产生的 P WM 输出频率和精度成反比 , 无法产生足够频率和精度的 P WM 输出信号 。(2 基于数字信号处理控制的开关电源通过高性能数 字 芯 片 如 D S P 对 电 源 实 现 直 接 控 制 ,

12、 数字芯片完成信号采样 A /D 转换和 P WM 输出等 工作 , 由于输出的数字 P WM 信号 功率不足以 驱 动 开 关管 , 需要驱动芯片 。 这样就可以简化控制电路 , 由于 这些芯片有较高的采样速度 和运算速度 , 可以 快 速 有 效地实现各种复杂的控制算 法 , 实 现对电源的 有 效 控 制 , 有较高的动态性能和稳压精度 。 本文研究 的 数 字 开关电源采用这种控制方式 。2 基于 D S P 芯片 T M S 320L F 2407控制的数字 开关电源2. 1 数字控制电源系统的特点(1 以数字信号 处 理 器 D S P 或 单 片 机 为 核 心 , 将 数字电源

13、驱动器及 P WM 控制器作为控制对象而构成 的智能化开关电源系统 。(2 采用 “ 整合数字电源 ” 技术 , 实现了开关电源中 模拟组件与数字组件的优化组合 。(3 高集成度 , 实现了电 源系统单片集成化 , 将大 量的分立元器件整合到一个芯片或一组芯片中 。 (4 能充分发挥数字 信号处理 器及微控制器的优 势 , 使所设计的数字电源达到高技术指标 。这种技术可用于负载时 间恒定的应用中 , 使电源 运行在高频状态 , 如功率因数校正 、 非中断电源 、 多个 化学电池译电和电机控制 ; 还 可 用 于采用若干可配置 的 P WM 内 核 及 控 制 、 诊 断 和 接 口 电 路 的

14、 手 机 以 及 P D A 的 P MU 等 其 它 应 用 。 运 行 时 间 控 制 电 路 中 的 子电路或外 设 可 为 其 电 流 状 态 提 供 最 适 宜 的 运 行 电 压 , 以便节能 。 数字电源控制可使调节器更加灵敏 。 2. 2 D S P 芯片 T M S 320L F 2407简介TM S 320系 列 D S P 的 体 系 结 构 专 为 实 时 信 号 处 理而设计 , 该系列 D S P 集实时处理和控制外设功能于 一身 , 为实现控制系统提供了理想的解决方案 。 T M S 320L F 2407在 T M S 320系列基础上有以下特点 : (1 高性

15、能 10位模 /数转换器 (A D C 的转换时间 为 500 n s , 提供多达 16路的模拟输入 。(2 基于 TM S 320C 2x x 第洌的 C P U 核保证了其 与 TM S 320系列 D S P 的代码兼容 。(3 具有两 个 事 件 管 理 器 模 块 E V A 和 E V B , 每 个均 可 提 供 两 个 16位 通 用 定 时 器 和 八 个 16位 的 P WM 通道 。(4 高达 24 k 的 F L A S H 程序存储器 。(5 可扩展外部存储器 。(6 五个外部中断 (两个驱动保护 、 复位和两个可屏蔽中断 。利用高性能的 D S P 数 字 芯 片

16、 对 电 源 实 现 直 接 控 制 , 可以简化控制电路的设计 , 再加上这些芯片有较高 的采样速度和运算速度 , 可以快速有效地实现各种复 杂的控制算法 。2. 3 基于 D S P 控制的开关电源原理基于 D S P 控制的开关电源结构如图 1所示 。图 1 基于数字信号处理 D S P 控制的开关电源原理结构图 图中 D S P 采用目前流行的 TM S 320L F 2407, 主要 进行数字 P I D 计算 ; 复杂可编程逻辑器件 C P L D 根据 D S P 计算的 结 果 生 成 数 字 P WM 波 形 控 制 主 功 率 变 换器 , 避免了模拟 P WM 控制器中的

17、双脉冲现象和半 频现象 , 实现 了 P WM 控 制 的 完 全 数 字 化 ; A I D 转 换 电路用作电压 、 电流 、 温度等数据的采集 , 芯片可采用 T L C 5540芯片 , 或者 T L C 2543芯片 , 通过此 A I D 转换 电 路 采 集 的 电 压 等 信 号 , 经 数 据 总 线 低 八 位 进 入 D S P , 与标准正弦波信号进行比较 , 当检测到输出电压 幅度高于标准正弦波信号时 , 按比例降低占空比 , 从而 实现对开 关 电 源 输 出 正 弦 波 和 幅 度 的 调 制 。 D S P 通 过接口电路还可以扩展 L C D 、 键盘进行人机

18、交换以及 通过串口 R S -485或 R S -232进行数据通信等 。3 结束语基于数字信号处理的开关电源 , 虽然 D S P 芯片结 构复杂 , 成本比较高 , 而 且 D S P 控 制 技 术 相 对 较 难 掌 握 , 况且 利 用 单 片 机 也 能 实 现 其 部 分 功 能 , 但 运 用 D S P 强大的数 据 处 理 能 力 及 其 速 度 优 势 可 以 提 高 电 源控制系统的精度和实 时性 , 可以快速有效地实现各 种复杂的控制算法 , 实现对电源的有效控制 , 有较高的 动态性能和稳压精度 , 满足逆变电源更高的要求 , 为电 源控制系统的全数字化提供必要的软硬件基础 。参考文献 :1 张 松 , 等 . 基于 D S P 实现的软开关电源控制系统 J . 信 息与电子工程 , 2003, 1(2 :50-53.2 徐德鸿 ,