基于DSP控制的数字开关电源设计

胡时高，虎恩典，丁晓军，刘 勇

(北方民族大学 电气信息工程学院，银川 750021)

基于DSP控制的数字开关电源设计

胡时高，虎恩典，丁晓军，刘 勇

(北方民族大学 电气信息工程学院，银川 750021)

0 引言

开关电源以其体积小、重量轻和效率高等特点，被广泛应用于电子计算机、家用电器、交通设施、通信和工业设备等领域。高可靠性、智能化及数字化是高频开关电源的发展趋势。一般的开关电源受专用脉宽调制IC固有功能的限制，而且控制电路复杂，由模拟元件存在的老化和温漂等问题所引起的误差使得开关电源的可靠性及精度较差。而数字系统具有设计周期短，易实现模块化管理，能减小模拟元件引起的不稳定和电磁干扰等优点，因此数字控制在开关电源中得到迅速发展[1]。DSP芯片的高速处理能力和丰富的外围设备，非常适合于实时数字信号处理，为开关电源采用全数字控制提供了可行性方案[2]。本文将DSP技术及数字PID控制应用于开关电源，简化了控制电路，减少功耗，提高了控制灵活性和设备的可靠性。

1 系统总体结构

本文设计的开关电源基本组成结构框图如图1所示，主要由功率主电路、辅助电源电路和以DSP为核心的控制电路组成。主电路由交流输入EMI防电磁干扰电源滤波器、整流滤波、高频变换器和高频整流滤波输出四部分组成[3～6]。控制电路的功能是实现信号处理、闭环控制、故障保护等，通过调节主电路中开关器件的导通占空比来控制主电路输出。其中，检测电路负责功率主电路电流和最后输出直流电压的检测取样；驱动电路对DSP输出的PWM信号进行隔离、放大，并产生驱动功率开关器件的驱动信号；保护电路当过压、过流时封锁PWM脉冲输出，保护系统，它是电源系统可靠工作的保证。图中虚线框内为TMS320LF2407A控制部分，完成信号的A/D转换、PWM输出和保护控制。辅助电源为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠[5]。

图1 系统硬件结构框图

2 开关电源硬件设计

2.1 主电路拓扑结构

图2 主电路原理图

电源功率主电路用“AC-DC-AC-DC”变换的拓扑结构，其中高频开关变换器是核心部分，采用典型的双管半桥它激式电路，如图2中虚线框内“高频逆变”所示，图中Q1、Q2为功率三极管，T1为高频变压器，T2为推动变压器，C5、 C6为均压电容，这些与一般的开关电源相同。其中串联耦合电容C7用以改善高频变压器的偏磁性能[6]。基本工作原理是： 220V单相交流电经EMI滤波、整流滤波后得到直流电压，经由Q1、Q2构成的逆变电路产生高频开关脉冲，在T1副边线圈感应出交变的方波脉冲，后经高频整流和LC滤波，得到所需的较高品质的直流电压[5,9]。本设计最后输出五种不同电压分别为±12V，±5V，3.3V，最大总输出功率可达210W。

2.2 驱动电路设计

因DSP产生的PWM信号很难直接驱动半桥逆变电路的功率开关管，所以要在DSP和半桥变换器之间加一个驱动电路，增加驱动功率，同时实现DSP控制回路与功率主电路的电气隔离，保证DSP系统正常运行。本设计采用变压器隔离驱动电路如图3所示。DSP引脚PWM1和PWM2输出相位差180o的脉宽调制控制信号，控制推动管Q3、Q4集电极所接T2推动变压器初级绕组的激励振荡，在T2次级它激振荡产生的感应电势作用于功率开关管Q1、Q2的基极与发射极之间，从而控制主开关变压器T1初级线圈的振荡。其中D5、D6及C9确保Q3、Q4基极有低电平脉冲时能可靠截止。

图3 功率开关管驱动电路

3 DSP控制电路设计

随着开关电源不断朝着高频数字化发展，利用高性能DSP芯片对电源控制，不但可以简化电路设计，还能快速有效实现各种复杂的控制算法。控制电路采用TMS320LF2407A DSP芯片，它集实时处理和控制外设功能于一体，为控制系统设计提供了很好的解决方案[7]。

3.1 TMS320LF2407A DSP特性概述

3.2 PWM波形的产生

1)通用定时器产生

每个GP定时器都有相应的比较寄存器TxCMP和输出引脚TxPWM，当GP定时计数器的值与比较寄存器的值产生比较匹配时，TxPWM引脚电平发生跳变，输出PWM波。为了设置GP定时器以产生PWM波，需要做以下工作[7,8]：

(1)根据预定的PWM周期设置TxPR；

(2)设置TxCON寄存器以确定计数模式和时钟源，并使能GP定时器比较输出操作；

(3)将PWM脉冲占空比加载到TxCMPR寄存器中。

2)用比较单元与脉宽调制电路产生

每个EV包括3个比较单元，每个比较单元都有一对PWM输出。为产生一个PWM信号，需选择GP定时器1或3在PWM周期内计数，当计数值与比较寄存器的值产生比较匹配时，相应的PWM输出引脚电平跳变，输出PWM波。PWM波形产生的设置如下[7,8]：

(1)设置和装载ACTRx寄存器；

(2)若需要死区，则设置DBTCONx寄存器，避免半桥电路上下臂开关管直通；

(3)初始化CMPRx寄存器；

(4)设置和装载T1CON或T3CON寄存器来启动比较操作；

(5)更新CMPRx寄存器值，以改变PWM波占空比。

另外根据实际需求，可以选择GP定时器的计数模式以产生对称或非对称的PWM波[10,11]。经实验得知，用GP定时器产生跟比较单元与脉宽调制电路产生的PWM波相比，前者无论从产生后级推动变压器输出波形的最佳性及对死区控制的灵活性均较后者要优越性些，因此本设计采用前种控制方式，即用T3、T4的比较寄存器与计数寄存器通过比较匹配来产生非对称PWM波，同时为避免半桥电路两开关管的开通脉冲出现重叠而造成上下桥臂直通短路，在程序中设置约17us的死区延时，这样保证其中一管导通前另一管子完全关断。

3.3 电压检测

为了对输出电压进行控制及保护，需要实时采集输出电压信号，DSP内部将模拟电压经ADC转换成数字信号，输入DSP存储器中，CPU再对电压信号进行分析、运算和处理，以达到控制输出的目的。因DSP只能采集0～3.3V的电压信号，所以在输入信号进DSP的ADC之前，要对信号进行调理，包括输入阻抗调整及硬件滤波，滤除不必要的干扰信号。本系统电压检测电路如图4所示，运放采用MCP604，单电源3.3V供电，构成电压跟随器，作为输入模拟信号的驱动和缓冲器，提供稳定的输出阻抗，并且保护DSP的ADC输入端[8]，R16、C12形成低通滤波。

图4 输出电压采样电路

3.4 过压过流保护

4 系统控制算法及软件实现

4.1 数字PID控制

为保证电源输出电压动态稳定，借助DSP强大的运算功能，采用LF2407A实现数字PID控制，本设计采用位置式PID控制，其离散表达式[1]为：

式中：e(k)为控制器输入偏差，Ts为采样周期，u(k)为PID调节器第k次输出量。第k-1次PID控制器的输出量如式（2）所示。

式(3)中，Kp为比例系数，Ki=KpTs/ Ti为积分系数，Kd=KpTd/ Ts为微分系数。于是得位置式PID控制的增量式递推表达式为：

为减小检测输出偏差信号干扰，提高系统可靠性，在PID调节前，DSP先对电压采样值进行数字滤波[1]，即连续采样输出电压，然后求其平均值作为有效采样值。开关电源PID控制原理如图5所示。

图5 开关电源PID控制原理图

通过PID控制来实时修改PWM波占空比，改变半桥变换器中开关管导通时间，从而控制输出电压大小。在本设计中，若输出电压检测值超过设定值，则增大DSP输出的PWM波形占空比，于是驱动电路中推动变压器初级侧激励脉冲宽度变窄，使得开关管导通时间变短，输出电压降低。

4.2 软件实现

软件设计主要包括主程序、ADC中断服务程序及PID控制子程序等三部分，如图6所示。主程序中首先进行系统配置及初始化，然后初始化ADC、PWM及PID控制模块参数，在等待中断的时间内采集输出电压，若发生ADC中断则进入相应的流程。本设计中CPU时钟频率设为40MHz，ADC模块每10ms采样一次，由EVA的T2周期中断标志来触发，EVB的T3、T4产生PWM1和PWM2。T3、T4均采用连续增计数模式，TxCNT与TxCMPR（x=3,4）值通过比较匹配产生非对称PWM波，且载波频率为25KHz。数字PID运算都在ADC中断中调用执行，得到的输出控制量u(k)经限幅后赋给TxCMPR，即在程序中加入下面语句来实现在线调整PWM波占空比：

其中T3PWM输出极性设置为高有效，T4PWM设为低有效，CMAX为定时器计数最大值，Uk为PID控制器第k次输出。

图6 程序流程图

5 实验结果及分析

图7是在示波器中观测到的LF2407A引脚波形，通道1、2波形分别为T3PWM和T4PWM产生的一对PWM波输出。图中输出脉冲幅值约为2.6V，周期40us，此时占空比是88.1%。

图7 TMS320LF2407A输出两路PWM波形

图8是12V电压输出端特性波形。由图可知，当开关电源刚上电时，由于输出电压检测值远小于设定电压，使得PID控制输出达到饱和上限，输出电压迅速上升到最大并出现较小超调。由于电网波动，当输出电压突然增大到接近过压值时，软件执行过压保护程序，开关管立即进入预关断状态，输出电压也减小。当检测值大于设定电压时PID输出减小，输出电压也相应减小，从而维持输出电压恒定。

图8 电压输出特性波形

图9是12V输出电压端加阻容负载时的特性波形。图中可知，缓慢增加负载时，输出电压基本不变，即使突加负载，通过闭环PID调节作用，也能维持输出电压的恒定，负载调整率维持在1%～3%，稳态性能也较好，若选择更合适的PID参数，则可进一步提高负载调整率，使电源输出特性最佳。

图9 输出电压负载特性波形

6 结束语

本文将DSP作为开关电源的控制核心，充分利用DSP丰富的软硬件资源实现开关电源的数字PID控制、脉宽调制及故障保护，简化了控制电路，提高了控制灵活性和设备的可靠性。同时利用DSP可以快速实现各种复杂的控制算法，使电源具有较高的动态性能和稳压精度[10,11]，因此DSP控制方式在今后开关电源的数字控制中发挥重要作用。

[1]姜少飞,闫英敏,赵霞,等.基于DSP的数字PID控制在开关电源中的应用[J].应用天地,2009,28(6):68-71.

[2]卜红霞,胡永杰,王月香,等.基于DSP的开关电源的设计与实现[J].微计算机信息,2008,24(10-1):280-281.

[3]王仲根.基于DSP的推挽正激DC/DC变换器的设计[J].电源技术,2013,37(4):639-640.

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[5]梁喆,欧阳名三.基于SG3525矿用直流变换器控制电路的设计[J].电源技术,2012,36(2):245-247.

[6]张占松,蔡宣三.高频开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004:265-345.

[7]张小鸣.DSP控制器原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2009:261-362.

[8]刘和平,邓力,江渝.DSP原理及电机控制应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:182-220.

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Design of digital switching power supply based on DSP control

HU Shi-gao, HU En-dian, DING Xiao-jun, LIU Yong

结合开关电源的发展现状，将数字控制的优点引入设计中，进一步提高开关电源性能。本文提出了基于DSP的开关电源数字PID控制方式，利用DSP事件管理器产生PwM信号，代替了一般的脉宽调制集成电路，并对其主电路、驱动电路及控制和保护电路进行了设计分析。试验表明，该方法能实现对开关电源的有效控制，不但能简化控制电路，提高设备的可靠性，还具有控制灵活、稳定快、负载调整率高等优点，可以在开关电源中推广应用。

开关电源；PID控制；脉宽调制；DSP

胡时高（1986 -），男，硕士研究生，研究方向为计算机控制。

book=5,ebook=281

TM461.5

A

1009-0134(2014)06(上)-0112-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).33

2014-01-21