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基于DSP的高精度开关电源的实现
摘要：系统为反激式开关电源，采用脉宽调制（PWM）式控制方式：固定开关频率，通过改变脉冲宽度改变占空比。利用体积很小的高频变压器实现电压变换及电网的隔离。稳压控制采用DSP实现.系统根据反馈电压及时改变输出PWM波形占空比，使输出电压保持稳定。
关键词： 开关电源 脉宽调制 反馈 DSP
引 言
电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及系统能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分为线形电源和开关电源两大类。其中开关电源SMPS（Switch Mode Power Supply）又被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向。它的关键元器件工作在高频开关状态，耗能很低，电源效率可达70%—90%。它利用体积很小的高频变压器实现电压变换及电网的隔离，不仅了去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波器件和散热器件，这就为研究开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。
目前，正在克服的困难主要有：①研制效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或通过别的途径取代开关变压器，以满足电子仪器和设备微小型化的需要；②进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件；③降低由于交变电压和电流通过电路中元件产生的较强的尖峰干扰和谐振干扰。
1 脉宽调制式开关电源的基本工作原理
目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制或混合调制方式。脉宽调制开关电源的基本原理如图1.1所示。
交流220V输入电压经整流滤波后变成直流电压UI，再由功率开关管MOSFET（或VT）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需的直流输出电压Uo。脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉宽可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统，假如由于某种原因致使Uo下降，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均值电压升高，导致Uo升高。反之亦然。
图1.1 脉宽调制式开关电源的基本工作原理
2 高精度开关电源的DSP实现
2.1 系统设计框图
设计目标： ● 输入电压：220V/50Hz 交流电
● 输出电压：+12V高精度直流电压
设计框图：
2.2 系统实现电路原理图
DSP采用的是TMS320F240芯片[3]实现，根据上述分析，系统采用高频变压器实现电压转换和电网隔离，利用配TL431的精密光耦反馈电路对输出电压进行监测，及时的送入DSP进行处理，维持输出电压稳定。系统实现电路原理图如图2.2所示。
图2.2 开关电源DSP实现电路原理图
2.3 系统运行说明
该电源电路属于反激式开关电源。220V/50Hz的交流电接通后，经电磁干扰滤波器，整流桥BR后得到直流高压UI，UI经电阻R1、R2分压后，向稳压模块MAX877供电，输出+5V的DSP工作电压，DSP上电复位，系统初始化，由T2PWM/T2CMP引脚输出预置PWM波形。
输出的PWM波形控制功率开关管MOSFET通断，高频变压器开始工作，次级线圈的能量经整流管VD2、C4、C5和L2滤波后，得到+12V的直流输出电压。
初级钳位（过压）保护电路加在初级绕组Np两端增加漏极。钳位电路由瞬态电压抑制器VDz2、阻塞二极管VD1组成，可以有效地将MOSFET的漏极电压钳制在200V左右，以保护功率开关管。
该电源采用配TL431的精密光耦反馈电路。实时监测输出电压的波动情况，送入DSP处理，及时改变输出PWM波形的占空比D来调整输出电压Uo。
电路稳压过程可简述如下：
当由于某种原因使得输出电压Uo升高时，TL431的采样电压UREF升高，与其内部的+2.5V基准电压进行比较，使K点电位下降，LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器ISP817C使控制端电流增大，致使电阻R6上的反馈电压UF升高，经DSP处理后使得输出PWM波形的占空比D减小，迫使输出电压Uo下降，达到稳压目的。
反之，Uo↓→UREF↓→UK↑→IF↓→ UF↓→D↑→Uo↑，同样起到稳压作用。
2.4 DSP控制
程序流程图如图2.3所示。
图2..3 DSP控制程序流程图
DSP作用：
① 产生输出PWM波形；
② 对反馈电压进行A/D转换；
③ 实时监测电压波动情况，调整输出
PWM波形占空比，稳定输出电压。
详细说明：
● 系统初始化
对时钟控制寄存器、通用定时控制寄存器等控制
类寄存器进行设置，开启A/D转换中断和电源保护中
断，使DSP正常工作，由T2CMP/T2PWM引脚输出
预置PWM波形，启动A/D转换。
● 喂狗
DSP运行时，要在看门狗计数寄存器溢出之前及时
“喂狗”，即对看门狗钥匙寄存器（WDKEY）写入
一个正确的序列：先写55H，接着写AAH。
● 调整输出PWM波形占空比D
这是DSP控制的核心部分，它以A/D转换的中断
服务子程序的形式被CPU调用。A/D转换完成，在中断标志位ADCINTFLAG置1，并向CPU发出请求信号，CPU调用模/数转换中断子程序：
CPU先读取模/数转换控制寄存器ADCTRL2的ADCFIFO1，确定当前结果寄存器的状态，然后读取结果寄存器ADCFIFO1中经A/D转换后的反馈电压UF的二进制值F，并与基准值F0（输出电压为12V时经反馈电路得到的反馈电压经过A/D转换后的二进制值）进行误差比较，然后将误差值Δ（Δ=F－F0）按一定比例K（K>0）去改变16位通用定时比较寄存器T2CMPR的值（T2CMPR=T2CMPR+K•Δ），从而改变输出PWM波形的占空比D，调整输出电Uo，使输出电压电压保持稳定。
输出PWM波形占空比D的调整过程如下：
当由于某种原因使输出电压Uo升高时，反馈电压UF随之升高，对应的数字值F也增大，
∵ Δ=F－F0，F0为基准值不变
∴ Δ增大
∵ T2CMPR=T2CMPR+ K•Δ ‘K值由实验得到，可不固定，编程可变
∴ T2CMPR增大
又 ∵
∴ 占空比D减小
∴ 输出电压Uo降低
最终输出电压稳定。
反之，Uo↓→UF↓→F↓→Δ↓→T2CMPR↓→D↑→Uo↑
同样，最终实现输出电压稳定。
3 结束语
本系统的设计主要是利用DSP去实现开关电源的脉宽调制器，同时DSP的可用资源还很多，这就为系统留下了极大的扩展空间，也就是说系统的扩展性极好。尤其在智能化、远程控制、用户界面等方面，DSP都为其留有充足的开发空间，完全适应如今电子产品的发展趋势。
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