基于DSP 的智能电源系统设计

2013-07-19李志勇

实验室研究与探索 2013年1期

李林，李志勇

(1.中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东青岛266555;2.郑州华力电缆有限公司，河南郑州450041)

0 引言

随着社会和经济的发展，对电源的质量和可靠性要求越来越高，在很多关键的应用场合，比如说地铁站、医院等电源供应不能有丝毫的差错，否则会带来严重的、甚至是灾难性的后果。所以在很多关键的地方，都设有备用电源或双路电源并联供电［1-2］，如UPS(不间断电源系统)。双路电源并联供电的优点主要有两个:①扩充容量，实现大功率电源系统，②通过冗余实现容错功能，即当某电源模块失效时，系统还可以提供负载功率，实现电源系统的不间断供电。

但是，传统的双路电源并联供电方式有其自身的局限性，比如:①灵活性差，在双路电源都在线工作时不能实现工作电流的独立控制;②不能有效实现节能，例如在野外，太阳能和风能资源非常丰富，我们完全可以以这种绿色能源为主，其他供电方式为辅，为一些在野外工作的关键设备供电。但是有时太阳能和风能产生的电力不足以维持设备的正常运行，如果用电池储存，电池容量有限，完全舍弃不用，直接采用备用电源又有些可惜。基于此设计并实现了一种新型供电系统。实现并联电源的电流可按照默认分流比例分流或控制分配比例分流两种模式工作［3］。这样就避免了上述存在的问题，下面以一双通道直流电源为例介绍其实现原理和方法。

1 方案设计与论证

设计一个安全可靠、低成本、输出功率为200 W的12 V 直流并联供电系统应用于野外现场。系统能满足当负载改变时，输出电压基本不变。并联供电系统输出电流可按照一定比例自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。具体要求如下:①负载改变时，保持输出电压不变，使负载电流Iout在10 ～20 A 之间变化时，两个模块的输出电流可在5 ～15 A 范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。②额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。③具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为20 A(±0.2 A 的偏差)，系统总体组成框图如图1 所示。

图1 系统总框图

1.1 核心处理器方案选择［4-7］

DSP 具有运算速度快、支持浮点运算、测量精度高、抗干扰能力强的优点。DSP 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，可以同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP 器件具有高速的数据运算能力。DSP(TM320LF2407A)自带的几路12 位A/D 转换能够实现设计要求的精度，DSP 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。另外该DSP 器件还具有高速、同步串口和标准异步串口。基于以上原因我们采用以 DSP(TM320LF2407A)为核心的控制器。

1.2 主电路DC-DC 变换器选择

采用BUCK 变换电路，此电路体积小，电路相对于单端反激变换电路更加简单，效率相对于单端反激变换电路会更高，少了很多可以增加损耗的地方而且不用绕制变压器，减少了损耗与变压器噪声等问题，故选择此方案。

1.3 开关管的选择

选择场效应管IR2125 作为开关管，此管子导通压降低且导通电阻仅有几十毫欧，损耗相对于IGBT 作为开关管的方案要小很多，因此我们选择此方案。

1.4 控制策略选择［8-9］

本设计采用电压、电流双闭环PI 调节的方式控制输出电压，并使其开关电源并联供电能够按照预设比例进行分流。我们用小电阻采集两个开关电源各自的电流信号和总体的输出电压信号，经过信号的调理传送给DSP，采用PI 调节电流控制的方式进行分流调控，达到稳定输出电压分配输出电流的效果。

2 理论分析与电路实现［10-11］

2.1 理论分析与计算

系统需要检测的电压是BUCK 变换器输出的12.0±0.4 V 电压，BUCK 变换器电路原理图如图2 所示。

图2 BUCK 变换器电路原理图

根据图2 所示的BUCK 电路，可得到如下公式:

电流内环设计如图3 所示。其中，相关参数如下:

图3 电流内环传递函数

令τid=2.63 ×10－3，消除大惯性环节，可得到电流环的开环传递函数:

电压外环设计

结合图3，可以得到电压电流双闭环控制系统的传递函数框图，如图4 所示。

图4 电压电流双闭环控制系统的传递函数框图

取电压环时间常数为2 ×75 =150 μs，采样处理100 μs，TΣi=250 μs，则电压环开环传递函数为:

将此系统设计为典型的Ⅱ型系统，取h=5，有:

则PI 调节器的比例系数Kpv和积分系数KIv为

2.2 电压电流采集、调理电路［11-15］

为减小共模输入信号，可采用差动输入式电压放大电路和高共模抑制比的运放LM358，将输出电压按比例减小，减小为2 V 左右的信号经RC 低通滤波后送入DSP 的A/D。

系统需要检测的电流是并联BUCK 变换器各自的输出电流，将电流检测转换为电压检测，为减小采样电阻损耗，阻值取为0.1 Ω 左右，故需放大电压小信号，为减小共模输入信号，采用两级放大，前级采用差动输入式电压放大电路，这里选择放大倍数为10 倍，放大后的信号经RC 低通滤波后送入DSP A/D。

信号调理模块主要是由增益可调的AD603 实现的，其放大倍数可以通过DSP 调节，由DSP 来判断当前信号幅度的大小，经过一定的运算处理后给出一一对应的数字量控制信号，然后经过DA 转换输出一个对应的模拟量来控制放大电路的增益，可让输出电压连续变化。AD603 通过软件控制输出，使之输出电压连续变化通过调节反馈电位器可实现输出幅度≥5 V，信号调理电路如图5 所示。

图5 信号调理电路

2.3 DC/DC 变换器稳压方法和均流方法

采集的电压和电流信号送入DSP，经PI 算法，产生PWM 波，控制驱动电路产生脉宽可变的驱动脉冲，改变开关管开关时间，实现电压电流双闭环反馈调节，保持输出电压稳定，使输出电流按比例分配。

2.4 过流保护

电压电流双闭环调节中，将检测到的电流信号与过流保护预设信号比较，若出现过流，则封锁PWM 输出脉冲，驱动脉冲消失，开关管关闭，由软件实现。

3 程序设计［9］

主程序流程图如图6 所示。

图6 软件设计流程

4 系统测试

4.1 硬件测试

将开关管驱动与BUCK 变换器的开关管相连，给IR2125 输入端加上PWM 波，测试系统开环运行情况，测量BUCK 电路在输入36 V 下的输出电压大小，改变负载测量电压波动，对信号调理电路可单独测试，电流检测电路输入几十mV 小信号，测量输出信号和纹波大小，测试其是否满足要求以及进一步改进。

4.2 硬件软件联调

将信号检测模块与DSP 系统相连，DSP PWM 输出端与IR2125 的控制脉冲输入端相连，测试系统在电压和电流双闭环反馈调节下的运行情况及测量输出电压波动大小和电流的自动分配。

下面以设定分流比例，以36 V DC 输入，输出电压保持在(12.0 ±0.4)V 以内，输出电流之和在5 ～20 A内变化进行系统检验，I1，I2 分别为两路输出的电流信号，测量结果见表1。

表1 A

5 结语

本系统采用DSP(TMS320F28335)作为控制和计算中心，处理来自电阻采样而来的电流信号与电压信号，利用双闭环系统的PID 调节算法，使并联DC-DC输出稳定，并且可以实现均流，和任意给定的比例下准确分流，在过流时候封锁输出，故障消除自动恢复运行的保护设计，硬件电路简单，灵活性好，从测试数据与系统运行情况来看，本系统的误差较小，运行稳定可靠，经实地测试，能够较好满足现场的实际需要。实验结果表明该系统具有良好的推广和使用价值。

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