基于DSP的自动气象站开关电源设计

邓海利，李永果，赵京峰

(山东省济宁市气象局，山东 济宁 272000)



基于DSP的自动气象站开关电源设计

邓海利，李永果，赵京峰

(山东省济宁市气象局，山东 济宁 272000)

摘要:运用TI公司的TMS320X28x 系列的微控器作为核心，设计了一款适用于自动气象站用的开关电源。该开关电源设计分为硬件部分和软件部分设计，通过软件仿真得出运行结果，结果表明：该开关电源的电流能很好地跟随电压，稳定输出所用时间短，达到预期效果，可以满足自动气象站需求，提高电源的远程维护能力。

关键词：DSP；自动气象站；数字开关电源；电路

0　引　言

自动气象站是气象业务的重要组成部分，合理布置自动气象站的数量和密度，可以提高气象数据的精确度，从而提高气象预报的准确度。传统自动气象站电源维护较为困难，电磁兼容性相对较差。随着数字信号处理器(DSP)的运算速度显著提高，价格却逐步降低，使得传统中只能用于精密、高端通信设备的DSP可以运用在自动气象站电源中。该新型电源的优点:采用数字信号可避免模拟信号传输过程中的失真；降低外界噪声对控制信号的干扰；电源体积小，便于安装和维护；可以根据实际工作需求写入远程通信软件，用于远程控制和监控，便于故障排除。

1　设计目的和要求

以DSP为基础，设计了一款具有有源功率因数校正电路的数字开关电源。该电源能够满足自动气象站的用电需求。该数字电源的主要技术指标与性能参数如下： 输入交流电压为市电220 V±20%； 输出直流电压为48 V；输入电压频率：50 Hz±10%； 输出功率：500 W； 开关频率：80 kHz； 功率因数：>0.99[1]。

2　设计的总体方案

基于DSP 的数字开关电源的硬件组成包含以下几个部分：

(1)EMC模块：消除220 V市电的共模和差模干扰，并减小开关产生的高频干扰进入市电，减小对市电的干扰；

(2)PFC 模块：提高电源的功率因数，减小无功功率；

(3)DC-DC模块：电压变换，转变为所需要的电压输出；

(4)控制器模块：完成电压、电流采样，反馈，控制直流电压稳定输出，与主机进行通信，反馈电源状态，实现智能控制；

(5)驱动电路：DSP输出的PWM 波不能直接驱动MOSFET，需要驱动电路转换为合适的电压和较大的驱动能力。其硬件总体结构图如图1。

图1 开关电源总体结构图

3　设计详细原理

3.1　EMI 及整流电路模块

数字开关电源有自身的优势，但是其所面临的电磁兼容问题，对系统的可靠正常运行的影响也越来越严重[2]。在所有开关电源中，电磁兼容(EMC)问题尤其重要,解决这个问题的方法是采用滤波器，滤波器结构如图2所示。电路中包括L1和L2构成的共模扼流圈(也称共模电感,两者绕向和匝数均相同)、滤波电容C1～C4。共模扼流圈对差模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强，它们在闭合磁环中的磁场相反而相互抵消。

图2 EMI滤波器

3.2　PFC 电路的硬件设计

任意一种 DC/DC 变换器从理论上都可以作为PFC电路的拓扑结构。但由于 Boost 型变换器特有的性质，它被广泛地作为PFC电路的首选结构。其主要优点有： 开关器件承受压差低于输出电压；由于电路带有电感元件，可有效降低电网对主电路的瞬时高频冲击；电磁兼容性好，具有较低的 EMI(电磁干扰)和 RFI(射频干扰)； 输出电压高，便于后级电路处理；功率驱动设计简单。

Boost 电路的基本拓扑结构如图3所示。它由一个升压电感 L，一个功率管Q，一个滤波电容 C 和一个隔离二极管构成。

图3 Boost变换器电路

假设图中各元件均为理想器件，当功率开关管 Q 导通时，电流流经电感 L和功率管Q，且不流经二极管 D，在电感 L的线圈饱和之前，电流持续增加，电能转化为磁能存储于电感线圈中，由电感两端电压左正右负。当功率开关管 Q 截止时，电感 L产生反向电动势，其储存的电荷经由二极管 D 给负载 R 供电，同时对电容C充电。当功率开关管 Q 再次导通时，电感重复充电，而已经完成充电的电容C 和负载 R 构成回路，C 向R 供电。 电路结构如图4所示。

图4 PFC电路结构

3.3　全桥 DC/DC 电路硬件设计

该电路设计采用在原边加箝位二极管的拓扑结构，如图5所示。图中的D5和D6就是两个箝位二极管。当副边二极管的方向恢复特性使得寄生电容开始振荡时，经过绕组的传递作用，副边电压映射到原边，箝位二极管导通，从而实现抑制副边二极管电压尖峰和振荡问题。同时D5、D6在一个周期内各自只导通了一次，这在一定程度上减小了电流损耗。

图5 带箝位二极管的移相全桥变换器

3.4　驱动电路设计

由 DSP 输出的 PWM 波的电压等级和功率无法直接驱动 MOSFET，往往需要驱动电路来实现PWM控制。值得注意的是如果不加电气隔离措施，直接驱动功率器件，控制芯片容易受到干扰，严重的还会被反馈电压损坏。良好的驱动隔离电路的设计可以提升系统的稳定性和安全性。

在设计MOSFET驱动电路时，主要考虑驱动电流大小、驱动电压的稳定性、开关速率、抗干扰性、是否有电气隔离等问题。目前常用的驱动MOSFET管的方式有以下几种:直接驱动方式、光耦隔离驱动方式、脉冲变压器隔离驱动方式和集成驱动器驱动方式。本设计采用光耦隔离后加驱动器驱动方式，开关电源的设计开关频率为80 kHz，周期为12.5 μs，因此要求光耦合器件的传输速率要足够快。本文选用单通道高速光耦6N137，其最高转换速率可达10 Mbit/s，符合设计要求。驱动芯片采用经典型号IR2110，其采用了HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500 V，du/dt=±50 V/ns，15 V下静态功耗仅116 mW；输出的电源端电压范围10～20 V；逻辑电源电压范围(脚9)5～15 V，可方便地与TTL、CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5 V的偏移量；工作频率高，可达500 kHz；开通、关断延迟小，分别为120 ns 和94 ns；输出峰值电流为2 A[3]。由于这种驱动方案的电气特性满足设计指标中五个功率MOSFET的驱动要求，因此均可用同一驱动电路。其驱动电路如图6所示。

图6 MOSFET驱动电路

4　软件设计

主程序需要完成对系统的初始化、开机自检、相应数据的处理、中断等待等几项工作。系统初始化包括时钟初始化、事件管理器初始化、变量初始化、AD初始化以及对定时器的设置。此外，还要判断输入电压的范围，确保输入的外部电压处于正常范围之内。系统在完成这些准备工作之后，就进入开机自检状态。由于系统是由两片数字控制核心分别控制前后两级功率转换电路，所以，两个电路的协调工作显得尤为重要，一旦开机过程中出现APFC异常，后级DC/DC电路可能产生损坏等严重后果[4]。两片数字控制芯片以主从方式工作，前级APFC电路TMS320F28027作为从控制器，后级DC/DC电路TMS320F2812作为主控制器，所以两个控制核心的自检程序不同。正确的启动顺序为：先功率因数校正电路后移相全桥变换器。因此在正式启动功率转换电路之前，主控芯片要确定前级功率因数校正电路已经正确启动后才能启动后级移相全桥变换器。

5　程序调试和仿真结果

主电路中各元件的主要参数设置如下：输入电压：交流220 V；频率：50 Hz；升压电感：1.2 mH；输出滤波电容：2 400 μF，负载：100 Ω。仿真参数中，算法为可变步长 ode23tb，最大步长设置为1e-6，相对精度1e-3。运行后得到仿真结果如图7、图8所示。

图7 输入电压和电流波形

图8 稳态输出电压波形

图 7是输入电压和电流波形的对比图，电压幅值经过 20倍比例缩小，但不影响相位，从图中可以看到，电流波形能够很好地跟踪电压波形，两者之间的相位差很小，基本实现了功率因数校正的功能。图 8是输出电压波形，可以看到，在启动阶段，电压超调量小，达到稳定输出所需时间短。以上结果说明 F-PI 控制器在功率因数校正电路中起到良好的控制作用，达到了预期目标。

6　结束语

基于DSP的自动气象站数字开关电源由于其控制算法是由软件来实现的，所以在应用中可以根据不同的环境参数，改变控制算法和策略，并且通过软件控制，提高电源的效率、精度等。

参考文献：

[1]刘兴丽. 基于GPRS的多要素自动气象站的设计与实现[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2010.

[2]冯利民.电力电子系统中数字控制器EMC设计[D].杭州:浙江大学, 2007.

[3]International Rectifier. IR2110 Datasheet[Z].2005.

[4]高华丽.数字开关电源的研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2010.

设计应用

Design of Switching Mode Power Supply for Automatic Weather Station Based on DSP

DENG Hai-li, LI Yong-guo, ZHAO Jing-feng

(Jining Meteorological Bureau of Shandong Province, Jining 272000, China)

Abstract:A switching mode power supply suitable for automatic weather station is designed using TMS320X28x from TI as the controller. The whole design is composed of hardware and software design. And simulation results show that the switching mode power supply current can follow the voltage very well. At the same time the voltage can be stable in a short time. Finally the design achieves the desired result, meets the needs of automatic weather station and has improved remote maintenance ability.

Key words:DSP; automatic weather station; digital switching mode power supply; circuit

中图分类号：TM72

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0060-03

作者简介：邓海利( 1979-) , 男, 山东济宁人, 硕士, 工程师, 主要从事雷电防护技术工作。

收稿日期：2014-12-18