數字控制的開關電源設計辦法

在高功率因數校正AC/DC電路中廣泛采用UC3842、UC3855A等專用控制芯片來實現功率因數校正，而在移相全橋DC/DC電路中廣泛采用TL494、UC3875等專用電源芯片來驅動開關管，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，無法保證系統始終具有高精度和可靠性，克服以上缺點可采用數字控制器DSp代替傳統的模擬控制芯片。目前數字解決（DSp）技術逐漸成熟，新一代DSp采用哈佛結構、流水線操作，即程序、數據存儲器彼此獨立，在每一時鐘周期中完成取指、譯碼、讀數據以及執行指令等多個操作，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，而且在該解決器上更容易實現高級語言。正是由于其特殊的結構設計和超強的運算能力，使得往日要硬件才能實現的功能可移植到DSp中用軟件實現，使數字信號解決中的一些理論和算法可以實時實現。

1數字控制開關電源系統

該通信開關電源緊要由主電路和控制電路組成，主電路緊要由單相高功率因數校正AC/DC變換電路和移相全橋軟開關DC/DC變換電路組成，它包括單相交流輸入電源、濾波網絡、整流電路、Boost高功率因數校正電路和移相全橋變換電路。控制電路緊要包括DSp數字控制器，它由DSp、驅動電路、測試電路、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關管漏極電壓、采樣電路；B表示功率開關驅動電路；F表示輸出電壓及電流、原邊電感電流和4個開關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。該電路能實現主開關管S的零電壓開通和二極管D的零電流關斷。

1.2移相全橋軟開關DC/DC變換電路

移相全橋軟開關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，控制系統緊要包括以下幾部分：DSp及其外圍電路、信號測試與調理電路、驅動電路和保護電路。

其中，信號測試與調理電路緊要完成對圖2輸入電流和電壓采樣、A/D等功能，DSp出現脈沖信號然后通過D/A轉換后驅動圖2，3的功率開關管。

1.4系統控制算法軟件實現

DSp數字控制能夠實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勢：數字pID系統相關于模擬pID系統具有設計周期短、靈活多變易于實現模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩定和電磁干擾等優勢。數字控制系統主程序圖如5所示。主程序的用途：初始化，其中包括給控制寄存器賦初值，這時系統工作時鐘開CAp1INT、CAp2INT中斷，在等待中斷的空閑時間內采集輸出信號，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狗，設置pWM信號的頻率和死區時間，設置通用按時器1和2的控制寄存器，設置捕獲控制寄存器測試下降沿。

2試驗結果及其分解

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升壓電感的計算非得是在最差的情況下得到，即輸入最低電壓，而輸出滿載的時候來確定，其輸入電流：

準許的紋波電流一般是取輸入電流的20%，即：

在最低線電壓時最小占空比為：

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移相全橋軟開關變換器濾波輸出電容計算

選擇輸出電容時，電容的輸出電壓維持時間非常緊要。當輸入能量截止時，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仿真結果及分解

為了驗證基于DSp控制數字開關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實驗結果及分解

最后，設計了基于TMS320F2812的功率因數校正試驗電路，試驗結果如圖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。試驗結果聲明在通信開關電源中用數字控制器代替模擬控制器是可行的。

3結語

數字開關電源相對模擬開關電源，具有不可比擬的優點，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。

隨著控制理論與執行手段的不斷完善以及DSp價格不斷的降低，數字控制開關電源將成為今后一個緊要的研究方向。

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