基于DSP的大功率開關電源設計

摘要：以TMs320LF2407A為控制核心，解析了一種基于DSP的大功率開關電源的設計方案。該電源采用半橋式逆變電路拓撲結構，使用脈寬調制和軟件PID調節技術實現了電壓的穩定輸出。最后，給出了實驗結果。實驗聲明，該電源具有良好的性能，完全滿足技術規定要求。

0引言

信息時代離不開電子設備，隨著電子技術的高速發展，電子設備的種類與日俱增，與人們的工作、生活的關系也日益密切。任何電子設備又都離不開可靠的供電電源，它們對電源供電質量的要求也越來越高。

目前，開關電源以具有小型、輕量和高效的特點而被廣泛使用于電子設備中，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源。與之相應，在微電子技術發展的帶動下，DSP芯片的發展日新月異，因此基于DSP芯片的開關電源擁有著廣闊的前景，也是開關電源今后的發展趨勢。

1電源的總體方案

本文所設計的開關電源的基本組成原理框圖如圖1所示，主要由功率主電路、DSP控制回路以及其它輔助電路組成。

開關電源的主要優勢在高頻上。通常濾波電感、電容和變壓器在電源裝置的體積和重量中占很大比例。從電路和電機學的有關知識可知，提高開關頻率可以減小濾波器的參數，并使變壓器小型化，從而有效地降低電源裝置的體積和重量。以帶有鐵芯的變壓器為例，分解如下：

圖1系統組成框圖

設鐵芯中的磁通按正弦規律變化，即φ=φMsinωt，則：

式中，EM=ωWφM=2πfWφM，在正弦情況下，EM=√2E，φM=BMS，故：

式中，f為鐵芯電路的電源頻率；W為鐵芯電路線圈匝數；BM為鐵芯的磁感應強度；S為鐵芯線圈截面積。

從公式可以看出電源頻率越高，鐵芯截面積可以設計得越小，如果能把頻率從50Hz提高到50kHz，即提高了一千倍，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍，這樣可以大大減小電源的體積。

綜合電源的體積、開關損耗以及系統抗干擾能力等多方面因素的考慮，本開關電源的開關頻率設定為30kHZ。

2系統的硬件設計

2.1功率主電路

本電源功率主回路采用AC-DC-AC—DC變換的結構，主要由輸入電網EMI濾波器、輸人整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成，如圖2所示。

圖2功率主電路原理圖

其基本工作原理是：交流輸入電壓經EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓，通過高頻逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質量、高品質的直流電壓。如圖3所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環節電壓波形變換流程。

圖3功軍主回路的電壓波形變化

本開關電源采用半橋式功率逆變電路。如圖2所示，輸入市電經EMI濾波器濾波，大大減少了交流電源輸入的電磁干擾，并同時戒備開關電源萌生的諧波串擾到輸入電源端。再經過橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點問。P、N之間接人一個小容量、高耐壓的無感電容，起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似，只是其中兩個功率開關器件改由兩個容量相等的電容CA1和CA2代替。在實際使用中為了提高電容的容量以及耐壓程度，CA1和CA2往往采用的是由多個等值電容并聯組成的電容組。CA1、CA2的容量選值應在電源體積和重量準許的條件下盡可能的大，以減小輸出電壓的紋波系數和低頻振蕩。CA1和CA2在這里同時起到了靜態時分壓的作用，使Ua=Uin／2。

在本電源的設計中，采用IGBT來作為功率開關器件。它既具有MOSFET的通斷速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單及驅動功率小等優勢，又具有GTR的容量大和阻斷電壓高的優勢。

在IGBT的集射極間并接RC吸收網絡，降低開關應力，減小IGBT關斷萌生的尖峰電壓；并聯二極管DQ實現續流的作用。二次整流采用全波整流電路，通過后續的LC濾波電路，消除高頻紋波，減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC濾波電路中的電容由多個高耐壓、大容量的電容并聯組成，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩。

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