基于DSP控制的数字开关电源综述

王爱玲，房亚民，冯 晶

（山东济宁职业技术学院机电系，山东 济宁272037）

开关电源具有小型、轻量和高效的特点，被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备和通信设备中。与之相对应，在微电子技术发展的带动下，DSP芯片的发展日新月异，功能日益强大，性价比不断上升，其处理速度比CPU快10～15倍。因此，基于DSP芯片的开关电源必将拥有广阔的前景，可用于先进的机载电源中。

1 开关电源模拟控制和数字控制的比较

1.1 模拟控制

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9 V电池就是一种模拟器件，它的输出电压并不精确地等于9 V，而是随时间变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在｛0，5 V｝这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

模拟控制看起来直观而简单，但它并不总是经济或可行的。其中一点就是模拟控制容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟控制还有可能严重发热，其功耗与工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟控制还对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

1.2 数字控制

所谓电源的数字控制，也称为“回路内部的处理器”，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法。它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比较器。它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息加传至系统。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

实现开关电源的数字控制主要有以下两种方法：

（1）基于单片机控制的开关电源

单片机通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制。这种技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单片机的要求不高，成本比较低。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；单片机经过A／D和D／A转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。也有的单片机集成了PWM输出，但开关电源不断往高频化方向发展，一般单片机的时钟频率有限，产生的PWM输出频率和精度成反比，无法产生足够频率和精度的PWM输出信号。

（2）基于数字信号处理控制的开关电源

通过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样A／D转换和PWM输出等工作，由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管，需要驱动芯片。这样就可以简化控制电路，由于这些芯片有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。本文研究的数字开关电源采用这种控制方式。

2 基于DSP芯片TMS320LF2407控制的数字开关电源

2.1 数字控制电源系统的特点

（1）以数字信号处理器DSP或单片机为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。

（2）采用“整合数字电源”技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。

（3）高集成度，实现了电源系统单片集成化，将大量的分立元器件整合到一个芯片或一组芯片中。

（4）能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。

这种技术可用于负载时间恒定的应用中，使电源运行在高频状态，如功率因数校正、非中断电源、多个化学电池译电和电机控制；还可用于采用若干可配置的PWM内核及控制、诊断和接口电路的手机以及PDA的PMU等其它应用。运行时间控制电路中的子电路或外设可为其电流状态提供最适宜的运行电压，以便节能。数字电源控制可使调节器更加灵敏。

2.2 DSP芯片TMS320LF2407简介

T MS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP集实时处理和控制外设功能于一身，为实现控制系统提供了理想的解决方案。

TMS320LF2407在TMS320系列基础上有以下特点：

（1）高性能10位模／数转换器（ADC）的转换时间为500 ns，提供多达16路的模拟输入。

（2）基于T MS320C2xx第洌的CPU核保证了其与T MS320系列DSP的代码兼容。

（3）具有两个事件管理器模块EVA和EVB，每个均可提供两个16位通用定时器和八个16位的PWM通道。

（4）高达24 k的FLASH程序存储器。

（5）可扩展外部存储器。

（6）五个外部中断（两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。

利用高性能的DSP数字芯片对电源实现直接控制，可以简化控制电路的设计，再加上这些芯片有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法。

2.3 基于DSP控制的开关电源原理

基于DSP控制的开关电源结构如图1所示。

图1 基于数字信号处理DSP控制的开关电源原理结构图

图中DSP采用目前流行的T MS320LF2407，主要进行数字PID计算；复杂可编程逻辑器件CPLD根据DSP计算的结果生成数字PWM波形控制主功率变换器，避免了模拟PWM控制器中的双脉冲现象和半频现象，实现了PWM控制的完全数字化；AID转换电路用作电压、电流、温度等数据的采集，芯片可采用TLC5540芯片，或者TLC2543芯片，通过此AID转换电路采集的电压等信号，经数据总线低八位进入DSP，与标准正弦波信号进行比较，当检测到输出电压幅度高于标准正弦波信号时，按比例降低占空比，从而实现对开关电源输出正弦波和幅度的调制。DSP通过接口电路还可以扩展LCD、键盘进行人机交换以及通过串口RS－485或RS－232进行数据通信等。

3 结束语

基于数字信号处理的开关电源，虽然DSP芯片结构复杂，成本比较高，而且DSP控制技术相对较难掌握，况且利用单片机也能实现其部分功能，但运用DSP强大的数据处理能力及其速度优势可以提高电源控制系统的精度和实时性，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度，满足逆变电源更高的要求，为电源控制系统的全数字化提供必要的软硬件基础。

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