一种基于DSP控制的数字开关电源设计

只看该作者 · 2011-12-23 12:55

1  引言

数字控制的开关电源，从2005年左右开始受到市场追捧。原因是当时有许多电源制造厂家和半导体生产厂家开始将电源模块和控制工业IC投入市场。用DSP或者专用逻辑电路等以数字处理方式进行控制，可以得到稳定的输出电压和输出电流[1]。

数字电源是采用数字方式实现电源的控制、保护与通信的新型电源技术，可编程、优良的响应特性和数字环路控制为其优点或特点[8]。电源数字化后具有很强的适应性与灵活性，具备直接监测运行情况的能力，能够满足绝大多数电源用户需求；数字电源的自诊断以及在线输出调节的能力使调试和维护工作变的轻松；还可以通过远程诊断以确保持续工作的系统可靠性，实现故障警告管理、过电压过电流多层次保护、自动冗余并联等功能[4]。

数字电源大大减少了在模拟电源中常见的误差、老化（包括模拟器件的精度）、温度影响、漂移、非线性不易补偿等问题，提高了电源的灵活性和适应性，其稳定的控制参数使得产品个体无须精细调节即可获得很好的一致性、可靠性高、可生产性好[6]。

数字控制技术本身，在控制学中并不是什么新技术。而且在功率电子技术领域，例如在不间断电源(UPS)和电机的逆变器控制等方面，也已经使用数字控制方式[2]。但是，在很多电子设备带有的开关电源中，还没有采用。

因此，研究基于DSP控制的数字开关电源具有重要的理论意义和应用前景。

2  基于BUCK拓扑的数字开关电源硬件电路设计

数字控制技术可以用于不同的拓扑[9]，本设计仅以BUCK拓扑为例。BUCK拓扑的开关电源主要包括输入部分、主电路、采样电路、保护电路、控制电路等几大部分组成，其结构框图如图1所示。

2.1 输入部分设计

输入部分设计主要包括输入整流器/滤波器部分的设计和输入滤波电容的设计。输入整流/滤波电路通常由三到五部分组成：EMI滤波器、启动浪涌电流限制器、整流级和输入滤波电容[7]，如图2所示。

首先选择输入整流器，整流器通常采用桥式二极管整流。要考虑的主要参数是：正向平均电流，浪涌电流，直流击穿电压，预期的耗散功率。在电路启动时，浪涌电流可能高于正常工作时输入电流值的10倍。因此，一般在电源的输入端接一个热敏电阻，以保护整流器。热敏电阻低温时的阻值在（6-12）V，加热后电阻值一般只有（0.5-1）V。

通过输入整流器的电流有效值是热设计时要考虑的，这会使整流器发热更加严重。综合考虑以上因素，最小的二极管等级要符合下面条件：

由以上三式可得出整流二极管应选的型号。接下来要计算输入滤波电容器的值。为计算输入滤波电容器的值，先要确定电源直流输入端所承受的纹波电压。要使电压纹波越小，电容就要选的越大，这样上电时的电流浪涌也更大。滤波电容的选择有三个主要方面要考虑：能满足期望电压纹波的电容值，电容的额定电压，电容的额定纹波电流。对于DC-DC变换器纹波电压峰值设计为（0.1-0.5）V。输入电容的大小可以从下式得到

2.2 主电路设计

主电路主要包括电感、功率开关管。因此，选择好主电路的电感和功率开关管，再设计好主电路的驱动，主电路设计基本完成。

电感的最小值一般由所需维持的最小负载电流的要求来决定。电感中的电流分连续和不连续两种工作情况，只要输入、输出电压保持不变，电流波形的斜率不会因负载电流的减少而改变。如果负载电流逐步降低，在L中的波动电流最小值刚好为0时，定义此时电流为临界电流，等于电流峰-峰值的一半，即

当时，将进入电流不连续状态，否则为连续状态。尽管BUCK变换器可工作于不连续模式，但给多路输出变换器带来一定问题。一般电感选择应保证一直到输出最小规定电流（通常为额定电流的1/10）时电感电流仍连续，故应大于使最小负载电流连续的临界值；电感是储能元件，过大会降低电源的动态性能，而且会限制负载出现较大瞬时变化时的电流变化率，使调节系统变慢，所以不宜选大。

功率开关管通常选择绝缘栅型MOS管，因为是利用栅极电压控制漏极电流，其显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，但其电流容量小，耐压低，一般用于小功率装置。MOS管的耐压值、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOS管的安全工作区，选择MOS管时应以此为依据。

开关管选定之后，相继进行开关管驱动电路的设计。设计开关管的驱动以所选开关管的技术参数为主要依据同时综合考虑其他电路器件，使电路尽量简单。

2.3 采样电路设计

采样电路包括电流采样和电压采样[5]。传统的电流采样电路一般是用康铜丝或锰铜丝或者电流传感器采样后把信号送入放大器，这种方案，精确度不高，而且操作不够简单。本设计采用的是将电流传感器和放大器集成在一起的美信公司生产的MAX4173FASA芯片。此芯片为8引脚SOT23-6封装，它成本低，具有紧密的电流传感器，可使用的电压范围是（0-28）V，精确度为0.5%，具有1.7MHz的带宽，可在-40℃～85℃的温度范围内工作。

传统的电压采样电路都是由电阻和功率放大器组成，一般来说是先由两个电阻分压，再经过一个功率放大器将增量放大。本设计仍采用这种方法，不同的是电阻分压后不需要再用功率放大器，因为这部分功能可以用软件在程序里实现。采样电路的示意图如图3所示。

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2.4 保护电路设计

本设计的保护主要在软件中完成，硬件部分通过前馈采集输入电压，又通过采样电路采集输出电压和电流。然后，将采样值送到DSP芯片中，由软件具体实现。

使用数字控制的一大优势是可以利用灵活的软件程序来代替复杂的硬件保护电路[3]。程序中分别有可屏蔽中断和不可屏蔽中断两种方式。其中，不可屏蔽中断通常针对程序或系统配置的错误，在任何情况下监测到此中断，程序都会使输出禁止，以保护电路及器件。可屏蔽中断通常针对程序运行中的过流、过压、欠压等情况进行处理，目的是保证对系统的指标要求，如：输出电压不得低于要求的5%等，此种中断一般不会使程序终止，而是用一定的算法处理，使指标恢复。

2.5 控制电路设计

控制电路是整个数字电源的核心，它不仅可以处理输入、输出部分的采样、保护整个电路而且还能通过控制PWM输出来驱动整个电路。控制芯片的选择至关重要，好的控制芯片不仅外围电路设计很简单，而且，功率损耗较小，电源效率很高，稳定性好。本设计采用MICROCHIP公司生产的高性能控制芯片DSPIC30F1010/2020。该芯片为28脚双列直插塑料封装，工作频率可达500kHz，启动和工作电流低，具有锁存脉宽调制和逐周限流、欠压锁定等特点，电压调整精度高，占空比控制方便，适用于小功率开关电源。其外围电路设计如图4所示。

3  基于BUCK拓扑的数字开关电源的软件设计

硬件电路设计是保障数字开关电源正常工作的前提，但软件设计则是数字开关电源的动力。本设计采用的是PID控制方法。其程序框图如图5所示。

4  仿真和实际电路调试

为验证设计方案的正确性，作者对BUCK拓扑数字控制电源进行了计算机仿真并制作了实际的电路板进行调试。仿真软件采用美国MICROCHIP公司开发的高效、方便实用的软件MINDI5.4。图6、图7分别为不同输入电压下的输出电压波形。由仿真波形可知，当在程序中改变电源输入电压时，电源的输出电压按照预定值进行相应的改变而且都是恒定的。

在仿真的基础上，制作了实际的电路板进行了实际电路的测试，测试波形如图8、图9所示。由波形可以看出，无论是16V还是24V时电源的输出电压都很稳定，从而可以表明数字控制技术在开关电源中应用是可行的。

5  结束语

（1）数字控制技术在开关电源中应用是可行的。

（2）开关电源引入数字控制技术后可以大大减少在模拟电源中常见的误差、老化（包括模拟器件的精度）、温度影响、漂移、非线性不易补偿等问题，可以很好的提高开关电源的灵活性和适应性，其稳定的控制参数使得产品个体无须精细调节即可获得很好的一致性，可靠性好，可生产性好。