基于DSP的开关电源系统优化设计

宣丽萍，李 朕

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

基于DSP的开关电源系统优化设计

宣丽萍，李 朕

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

针对开关电源系统中普遍存在损耗高、谐波含量大、体积大等问题，提出一种基于DSP控制的低损耗、低谐波、高功率因数开关电源优化设计系统。系统采用基于DSP生成的PWM波控制开关通断，主电路采用移相全桥零电压软开关技术，由改进的EMI滤波电路进行滤波，并应用平均电流控制方法控制Boost-PFC。整个设计对EMI滤波、功率因数校正、零电压开关等电路进行优化，通过仿真和实验结果表明，该设计具有损耗低、谐波含量低、体积小且输出电压稳定、控制电路简单、变压器制作难度得以简化、可靠性高等优点。

开关电源；EMI电路；功率因数校正；DSP；优化设计

随着电力电子技术的飞速发展和开关电源技术在许多领域的广泛应用，人们对电源性能的要求也不断提高。对高频开关电源的研究主要集中在减小体积、提高频率、数字化控制、高可靠性以及降噪等方面。本文提出了一种输入为市电，输出为直流12 V的基于DSP的高频开关电源系统优化设计。整个系统具有损耗低、谐波小、体积小、输出电压稳定、控制电路简单、可靠性高，而且电源能够实现自我监测，使得设备的可靠性和适应性大大提高。

1 系统结构

系统主要由改进的EMI滤波器、整流、APFC电路、DC/DC变换器、输出滤波、DSP控制电路、驱动电路、采样电路、辅助电源等几个部分构成。220 V交流电经过EMI滤波、整流电路整流、APFC功率因数提高再进行DC-DC变换生成直流电，采样电路对输出电压进行采样，由DSP控制产生PWM波，经驱动电路驱动开关管的通断，使得输出电压为一个比较稳定的直流电，EMI电路抑制电网噪声及谐波，辅助电源为芯片提供所需电压。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 主电路设计

2.1 EMI滤波电路

为了减少电源产生的EMI噪声，降低开关电源在使用中对电网造成的干扰，同时避免电网对电源造成干扰，电源必须加入EMI滤波器。传统的滤波器是由共模电容、差模电容以及共模扼流圈构成的，抑制共模干扰，但对差模干扰几乎不起作用。本系统在传统EMI滤波器基础上于共模电容Cy两端分别加入两个电感，则经过电容流入地的电流与信号线中的电流方向正交，感生电感减小，插入损耗特性优于传统结构，如图2所示。经计算差模电容Cx=0.1 uF，共模电容Cy=2 200 pF ，共模电感L=8 mH，电感L0=0.36 mH。实际制作可适当增大Cx,Cy,L0值。

图2 改进后的EMI滤波电路

对传统与改进后的EMI电路仿真对比结果如图3所示，曲线1和2分别为改进后EMI电路和传统EMI电路的插入损耗情况。仿真结果表明，除谐振点处插入损耗相等外，其他点处改进后的EMI明显优于传统结构。

图3 改进后的EMI滤波电路与传统结构滤波电路插入损耗仿真对比结果

2.2 数字控制APFC电路

为提高功率因数，系统采用基于DSP和平均电流控制方法控制的Boost-PFC，具有精度高和抗干扰能力强的特点，如图4所示。

图4 APFC电路

DSP对采样得到的电压电流信号进行运算处理，输出一个比较值送给内部比较单元以改变相应的寄存器值，输出波形的占空比将随寄存器值而变化，实现对功率管的开关控制，从而使输入电流的波形随输入电压的波形变化并保持一致，因此,功率因数得以提高，谐波得以抑制。

整流输入电压为220 V/50 Hz交流电，APFC电路输出电压Vo=400 V，开关频率fs=100 kHz。DC/DC变换器输入直流400 V(±5%)，输出直流12 V，上下浮动范围在20%以内，输出功率400 W。经计算，升压电感0.36 mH，输出电容为1 974 uF，输入二极管整流桥选用KBPC1510，开关管选用SPW47N60S5型号47 A/600 V的场效应管，输出二极管选DSEI12-06A型。

仿真结果对比如图5～图8所示，由图可知，无APFC环节的电路电流波形严重畸变，输出电压波动范围大，难以稳定，加入APFC环节，电流波形随着输入电压波形的变化而变化且相位相差几乎为0，不仅提高了功率因数，而且使得输出电压稳定。

图5 无功率因数校正环节时输入电压和电流波形

图6 无功率因数校正环节的输出电压波形

图7 功率因数校正后的输入电压和电流波形

图8 输出电压波形

2.3 移相全桥软开关变换主电路

主电路采用移相全桥零电压软开关技术，在开关过程的瞬间利用谐振使与开关管并联的谐振电容充放电，此时与开关管反并联的二极管导通并将其两端电压维持为0，功率管导通。为实现轻载下零电压导通，系统在滞后桥臂加入辅助谐振电路，很大程度提高了变压器副边的占空比。变压器副边采用倍流整流电路，平均电流仅为输出负载电流的一半。负载电流的一半流经其中一个电感和变压器副边绕组，另一半通过剩下的一个电感且不经变压器绕组，双向励磁，简化变压器制作难度，且使得磁芯和绕组得到充分利用，如图9所示。

图9 主电路

经计算,功率开关管可选型号为SPW24N60C3的MOSFET，变压器原边谐振电感为75 uH，输出滤波电感为3.58 uH，输出滤波电容为173 uF，输出电路整流二极管选MUR6040型号。

3 控制电路

控制电路采用TI公司推出的TMS320F2812型号DSP为核心芯片，完成电压电流信号的采样计算以及变换处理、PWM波形的生成与输出等。

3.1 采样电路设计

因DSP只能对0～3.3 V的电压进行模数转换，而主电路中的电压电流均较大，设计中采用型号HNV025A和HNC025A的霍尔传感器来实现控制电路与采样电路的隔离。在APFC电路和DC/DC电路中均有电压采样电路，在APFC中电压信号采样主要对输入和输出电压采样，在DC/DC电路中对最终输出电压采样，在APFC电路中对电感电流采样，从而达到使输入电流波形与输出电压

波形变化规律一致的目的，不同的采样对象，只需对霍尔传感器原副边电阻进行调整即可，采样得到的信号经过滤波和变化等处理送给DSP的模数转换模块，结构如图10所示。

图10 电压采样电路

3.2 功率管驱动电路

为使DSP控制系统与主电路在电气上进行隔离，抗干扰能力强，改善器件的静动态性能以减小器件损耗，在100 kHz的开关频率下选择带脉冲变压器隔离的驱动器KD 102，如图11所示。

图11 KD102原理

4 软件设计

系统采用模糊PID算法，如图12所示。模糊推理与解模糊方法分别采用Mamdani方式以及面积重心法。

图12 模糊自适应PID控制系统原理

DSP实现对开关管的数字控制需要上下桥臂开关管上的驱动信号互补且带有一定死区时间，对角桥臂开关管上的驱动信号之间相差一个在系统运行过程中不断调整的移相角。设计中移相脉冲的生成直接通过F2812内部的事件管理器EVA进行，经过控制算法的运算处理后得到移相角为α，与之对应的计数值为PS，α会随PS值的变化而变化，死区时间的设定可以通过对死区定时器控制寄存器的设置来进行。

程序设计主要包括主程序和中断服务子程序。主程序完成对系统进行初始化，确定PWM波形的频率、装载比较寄存器初始值以及对死区定时器控制寄存器进行设置，使能相应的中断并循环等待。如图13所示。中断程序主要完成比较寄存器值在后半周的装载并启动采样，然后对APFC控制回路以及DC/DC控制进行相应计算，如图14、15所示。程序中设定定时器TI时钟频率为37.5 MHz，周期寄存器TIPR为187.5(0×00BB)，即输出PWM波形频率为100 kHz。

图13 主程序流程

图14 T1周期中断流程

图15 T1下溢中断流程

5 系统仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建整个系统仿真模型，系统输出电压波形如图16所示。

图16 12 V输出电压仿真波形

仿真可知，经调整后输出电压稳定在12 V且波动范围小于10%，输出特性曲线良好。

6 结束语

本文实现了对输出12 V的开关电源的优化改进设计，通过仿真及实验结果表明，该系统具有输出性能良好，开关频率高、精度高且稳定、动态性能

良好，控制电路简化，谐波低，损耗低，功率因数高等特点，具有很高的应用价值。

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[责任编辑：郝丽英]

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Optimization design of switching power supply system based on DSP

XUAN Li-ping, LI Zhen

(College of Electric and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

Aiming at the problem of switching power supply system such as high loss, big harmonic content, large volume and other issues, it puts forward an optimization design system based on DSP control of the low loss, low harmonic, high power factor of switching power supply. The main circuit of the system adopts phase-shifted full- bridge zero-voltage soft switching technology, and it is filtered with a modified EMI filter and corrected with the Boost PFC which is controlled by the mean current control method. The control circuit uses DSP to generate PWM waveform. The EMI filter, power factor correction circuit and zero voltage switching circuit are designed and optimized. The simulation and experimental results show that the design has the advantages of low loss, low harmonic content, small volume and stable output voltage, high reliability,simple control circuit and simplified transformer manufacturing.

switching power supply;EMI circuit;PFC;DSP;optimization design

2014-12-10

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531593)

宣丽萍(1971-)，女，副教授，硕士研究生，研究方向：电力电子.

TN86

A

1671-4679(2015)02-0008-05