基于DSP 的智能电源系统设计-技术方案

精品文档-下载后可编辑基于DSP的智能电源系统设计-技术方案摘要：介绍了一种基于DSP的智能电源管理系统设计和实现方案。本系统以TI公司的TMS320LF2407ADSP为控制，主要由信号采集模块，电路调理模块，DSP处理模块，显示模块，键盘模块，DC-DC并联供电模块和辅助供电模块等组成。设计采用BUCK降压变换电路实现DC/DC变换，设计和制作了高效率的两路DC-DC变换器并联供电，此并联供电系统能够将36V直流电压转化为12V直流电压，允许电流达到20A长时间工作，并且两个并联开关电源模块的电流可按照默认分流比例分流和控制分配比例分流两种模式工作。另外系统进行了抗干扰设计，使其具有较好的抗干扰能力，保证系统可靠工作。

0引言

随着社会和经济的发展，对电源的质量和可靠性要求越来越高，在很多关键的应用场合，比如说地铁站、医院等电源供应不能有丝毫的差错，否则会带来严重的、甚至是灾难性的后果。所以在很多关键的地方，都设有备用电源或双路电源并联供电，如UPS（不间断电源系统）.双路电源并联供电的优点主要有两个：①扩充容量，实现大功率电源系统，②通过冗余实现容错功能，即当某电源模块失效时，系统还可以提供负载功率，实现电源系统的不间断供电。

但是，传统的双路电源并联供电方式有其自身的局限性，比如：①灵活性差，在双路电源都在线工作时不能实现工作电流的独立控制；②不能有效实现节能，例如在野外，太阳能和风能资源非常丰富，我们完全可以以这种绿色能源为主，其他供电方式为辅，为一些在野外工作的关键设备供电。但是有时太阳能和风能产生的电力不足以维持设备的正常运行，如果用电池储存，电池容量有限，完全舍弃不用，直接采用备用电源又有些可惜。基于此设计并实现了一种新型供电系统。实现并联电源的电流可按照默认分流比例分流或控制分配比例分流两种模式工作[3].这样就避免了上述存在的问题，下面以一双通道直流电源为例介绍其实现原理和方法。

1方案设计与论证

设计一个安全可靠、低成本、输出功率为200W的12V直流并联供电系统应用于野外现场。系统能满足当负载改变时，输出电压基本不变。并联供电系统输出电流可按照一定比例自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差不大于5%.具体要求如下：①负载改变时，保持输出电压不变，使负载电流Iout在10~20A之间变化时，两个模块的输出电流可在5~15A范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的不大于2%.②额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。③具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为20A（±0.2A的偏差）,系统总体组成框图如图1所示。

1.1处理器方案选择

DSP具有运算速度快、支持浮点运算、测量精度高、抗干扰能力强的优点。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，可以同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP（TM320LF2407A）自带的几路12位A/D转换能够实现设计要求的精度，DSP器件还提供了高度化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。另外该DSP器件还具有高速、同步串口和标准异步串口。基于以上原因我们采用以DSP（TM320LF2407A）为的控制器。

1.2主电路DC-DC变换器选择

采用BUCK变换电路，此电路体积小，电路相对于单端反激变换电路更加简单，效率相对于单端反激变换电路会更高，少了很多可以增加损耗的地方而且不用绕制变压器，减少了损耗与变压器噪声等问题，故选择此方案。

1.3开关管的选择

选择场效应管IR2125作为开关管，此管子导通压降低且导通电阻仅有几十毫欧，损耗相对于IGBT作为开关管的方案要小很多，因此我们选择此方案。

1.4控制策略选择

本设计采用电压、电流双闭环PI调节的方式控制输出电压，并使其开关电源并联供电能够按照预设比例进行分流。我们用小电阻采集两个开关电源各自的电流信号和总体的输出电压信号，经过信号的调理传送给DSP,采用PI调节电流控制的方式进行分流调控，达到稳定输出电压分配输出电流的效果。

2理论分析与电路实现

2.1理论分析与计算

系统需要检测的电压是BUCK变换器输出的12.0±0.4V电压，BUCK变换器电路原理图如图2所示。

根据图2所示的BUCK电路，可得到如下公式：

令τid=2.63×10-3,消除大惯性环节，可得到电流环的开环传递函数：

电压外环设计

结合图3,可以得到电压电流双闭环控制系统的传递函数框图，如图4所示。

2.2电压电流采集、调理电路

为减小共模输入信号，可采用差动输入式电压放大电路和高共模抑制比的运放LM358,将输出电压按比例减小，减小为2V左右的信号经RC低通滤波后送入DSP的A/D.

系统需要检测的电流是并联BUCK变换器各自的输出电流，将电流检测转换为电压检测，为减小采样电阻损耗，阻值取为0.1Ω左右，故需放大电压小信号，为减小共模输入信号，采用两级放大，前级采用差动输入式电压放大电路，这里选择放大倍数为10倍，放大后的信号经RC低通滤波后送入DSPA/D.

信号调理模块主要是由增益可调的AD603实现的，其放大倍数可以通过DSP调节，由DSP来判断当前信号幅度的大小，经过一定的运算处理后给出一一对应的数字量控制信号，然后经过DA转换输出一个对应的模拟量来控制放大电路的增益，可让输出电压连续变化。AD603通过软件控制输出，使之输出电压连续变化通过调节反馈电位器可实现输出幅度≥5V,信号调理电路如图5所示。

2.3DC/DC变换器稳压方法和均流方法

采集的电压和电流信号送入DSP,经PI算法，产生PWM波，控制驱动电路产生脉宽可变的驱动脉冲，改变开关管开关时间，实现电压电流双闭环反馈调节，保持输出电压稳定，使输出电流按比例分配。

2.4过流保护

电压电流双闭环调节中，将检测到的电流信号与过流保护预设信号比较，若出现过流，则封锁PWM输出脉冲，驱动脉冲消失，开关管关闭，由软件实现。

3程序设计主程序流程图

如图6所示。

4系统测试

4.1硬件测试

将开关管驱动与BUCK变换器的开关管相连，给IR2125输入端加上PWM波，测试系统开环运行情况，测量BUCK电路在输入36V下的输出电压大小，改变负载测量电压波动，对信号调理电路可单独测试，电流检测电路输入几十mV小信号，测量输出信号和纹波大小，测试其是否满足要求以及进一步改进。

4.2硬件软件联调

将信号检测模块与DSP系统相连，DSPPWM输出端与IR2125的控制脉冲输入端相连，测试系统在电压和电流双闭环反馈调节下的运行情况及测量输出电压波动大小和电流的自动分配。

下面以设定分流比例，以36VDC输入，输出电压保持在（12.0±0.4）V以内，输出电流之和在5~20A内变化进行系统检验，I1,I2分别为两路输出的电流信号，测量结果见表1.

5结语

本系统采用DSP（TMS320F28335）作为控制和计算中心，处理来自电阻采样而来