結合電力電子技術和嵌入式技術，設計了以全橋隔離式PWM變換器為核心，基于DSP處理器TMS320F2812的高精度大功率數(shù)字開關電源。完成了系統(tǒng)硬件電路設計及軟件數(shù)字PID算法，實現(xiàn)數(shù)字化采樣、運算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機接口等功能。
0 引言
隨著電力電子技術的高速發(fā)展，開關電源得到了廣泛應用，日新月異的高科技產品也對開關電源提出了更高的要求。傳統(tǒng)的基于模擬控制技術的開關電源發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但有其自身無法克服的缺點，數(shù)字開關電源技術的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)模擬控制技術的缺陷，為開關電源設計領域注入了新的活力。隨著數(shù)字控制方法、數(shù)字控制電路結構的發(fā)展和數(shù)字化開關電源市場需求的推動，數(shù)字化控制開關電源在電源領域里的優(yōu)勢越來越明顯。
本文結合電力電子技術和嵌入式技術，設計了基于DSP處理器TMS320F2812的大功率數(shù)字開關電源，實現(xiàn)數(shù)字化采樣、運算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機接口等功能。該設計充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點，提高了開關電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1 系統(tǒng)硬件電路設計
本設計主要由輸入電網濾波、輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出濾波、DSP控制電路、驅動電路、電壓電流反饋電路、輔助黽源電路、人機接口電路等幾部分組成。該設計總體設計框圖如圖1所示：
其基本原理是：交流輸入電壓經電網濾波、整流濾波得到直流電壓，該直流電壓在DC-DC變換電路內部經過高頻逆變、高頻變壓器隔離變換、整流等一系列變換后輸出直流電壓，最后再經過輸出濾波電路，得到需要的高質量、高品質的直流電壓。
輸入電網濾波、輸入整流濾波、輸出濾波電路、電壓電流反饋電路、輔助電源電路等部分的設計基本和傳統(tǒng)的模擬控制技術相同，本文不再介紹。人機接口電路主要實現(xiàn)檢測參數(shù)的反饋以及處理器基準電壓的實現(xiàn)，在本文也不做過多的介紹。本文主要介紹DSP控制電路、DC-DC變換電路、驅動電路的設計方法。
1.1 DSP控制電路
本設計采用DSP處理器TMS320F2812為核心控制芯片。
其工作原理：輸出電壓和電感電流通過反饋網絡，將反饋信號轉換為DSP所需要的電平，接至DSP的A/D轉換口，轉換后的信號與通過人機接口電路輸入的電壓基準信號一起經過電壓電流調節(jié)器獲得實際的正弦調制信號，該正弦調制信號與DSP定時器產生的三角波載波信號相交截，輸出帶有一定死區(qū)的PWM控制信號，最后經驅動單元送到IGBT。
1.2 DC-DC變換電路
全橋式變壓隔離器開關管承受最小的開關電壓和最小的開關電流，功率開關在非常安全的情況下運作。并且主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出，變壓器鐵芯和繞組得到最佳利用，使效率、功率密度得到提高，因此，本設計選用全橋隔離式PWM變換器。功率器件采用單管IGBT，IGBT屬于MOSFET和雙極型晶體管的復合器件，它具有MOSFET容易驅動的特點，還有雙極型晶體管電壓高、電流大的特點，非常適合應用于大功率開關電源電路。
DC-DC變換電路如圖2所示。圖中每個IGBT旁均并聯(lián)有阻容吸收回路(RC)作為緩沖器，在IGBT瞬間斷開時，緩沖器元件RC將通過提供交流通道減少功率管斷開時的集電極電壓應力。
工作原理如下：在圖2中，P1、P4和P2、P3分別構成全橋的兩臂，P1-P4的驅動信號分別為S1-S4，這4路驅動信號來自于驅動芯片KA101。當S1和P4信號來時，P1和P4導通，電流經過P1進入變壓器原邊，再經P4形成回路。當S2和P3信號來時，P2和P3導通，電流經過P2進入變壓器原邊，再經P3形成回路，但是電壓的極性與S1驅動的相反。這樣，直流電壓經過變換電路變換以后，得到的為一高頻變化的交流電壓，完成了從DC到AC的變換。然后這一交流電壓再經過高頻變壓器變壓和整流濾波電路整流濾波即可得到預期的穩(wěn)定直流電壓。
1.3 驅動電路
由于TMS320F2812的 PWM波驅動能力有限，而IGBT要求PWM波的驅動能力較強，所以在DSP和IGBT之間必須接相應的驅動電路，增加驅動功率，保證IGBT在最短時間內開通與關斷。該驅動電路主要完成2個功能：一是將弱電控制回路與大功率強電主回路實現(xiàn)電氣隔離：二是通過驅動電路提供IGBT開關所需的電壓和電流。
本設計采用北京落木源電子技術有限公司生產的光耦隔離驅動芯片KA101來對IGBT進行驅動。該器件保護功能完善、工作頻率較高、用戶可調參數(shù)多、價格便宜，并能與多種其他類型的驅動器兼容。DSP產生的PWM信號從驅動芯片KA101的1、2引腳輸入，通過驅動芯片內部控制變換，最終從17、18引腳輸出驅動信號接到IGBT的柵極，控制開關器件的通斷。
2 數(shù)字PID算法的實現(xiàn)
數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù)域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。還有一些改進算法如積分分離法，遇限削弱積分法，不完全微分法，
微分先行法和帶死區(qū)的PID控制算法等。
本設計中，有一個預設的基準電壓，而且為了節(jié)省存儲空間所以選用增量型PID控制算法實現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據推理原理可得增量型PID算法。
由于計算機輸出增量，所以對誤動作影響小，如果必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，而且增量控制不易產生積分失控，容易獲得較好的調節(jié)品質。
3 結束語
本文設計了以全橋隔離式PWM變換器為核心，基于DSP的大功率數(shù)字開關電源。該設計充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點，提高了開關電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。可以相信，隨著數(shù)字技術的發(fā)展，應用速度更快、精度更高、體積更小、更加可靠、操作更靈活的DSP處理芯片將會更多的應用到數(shù)字開關電源中，數(shù)字開關電源也將在相關行業(yè)中得到越來越廣泛的應用。
