一种基于DSP的半桥数字开关电源设计

申士卿，陈国平，顾 健

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



一种基于DSP的半桥数字开关电源设计

申士卿，陈国平，顾 健

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对正激变换器变压器磁复位需要增加铁心复磁电路，电压应力高；反激式变换器峰值电流较大，输出电压纹波大等问题。文中设计了一款基于DSP的半桥数字开关电源，提出了一种新型的正反激开关电源拓扑，介绍了主电路工作原理，并以TMS320LF2407A DSP芯片为核心，完成了系统硬件电路设计及软件数字PID算法。实验结果表明，该设计软硬件设计合理，实现了数字化采样、运算、控制输出等功能。

开关电源；数字控制；DSP技术

数字开关电源[1]具备高适应性、高效性以及灵活的交互功能，目前已成为众多智能化设备的首选供电方案。DSP芯片高速的电子与电力传动。

数据信号处理能力以及丰富的外围设备适用于实时信号处理，从而使得开关电源实行全数字控制具备了可实施的方案。本文将DSP技术应用于一种新颖的开关电源[2]，简化了电源的控制电路，同时减少了功耗，提高了电源的控制灵活性及可靠性。

1 结构及基本原理

本设计的开关电源基本组成结构框图如图1所示，主要结构包括DC-DC功率变换主电路和以DSP为核心的控制电路、辅助电源电路。主电路主要由DC-DC变换电路、EMI防电磁干扰滤波器以及整流滤波电路3部分组成[3]。控制电路通过调节开关器件的导通占空比来控制电压的输出，实现信号处理、闭环控制、电路保护的功能，其中驱动电路用于对DSP输出的PWM信号进行隔离、放大，反馈电路采集输出电压、电流信号，辅助电路用来对芯片提供工作电压[4]。

图1 数字开关电源总体设计框图

2 主电路设计

在中小功率应用场合，正、反激式变换器以其结构简单，性价比高等优点而受到关注。但传统的正、反激式变换器也存在其固有的缺点，如正激变换器变压器磁复位需要增加铁心复磁电路，电压应力高；反激式变换器峰值电流较大，输出电压纹波大等问题[5]。征集电路在开关闭合时有输出电压，在开关关断时不能有，且反激变换器在开关闭合时通过变压器储存能量，在开关关断时有能量输出，正激变换器和反激变换器均不能在一个周期内有持续的电压输出，这也是正激和反激变换器共有的缺点。本设计提出了一种新型的正反激开关电源拓扑，克服了单端正激电路和反激电路存在的一些缺点，并能保证在一个周期内有稳定的可持续的电压输出，从而为相应的设备提供可靠的稳定的电压，在电路形式上，这种变换器可采用双变压器结构或者单变压器结构，输出可以是双路或单路[6]。主电路拓扑如图2所示。

图2 主电路拓扑

状态1 (t0～t1)：开关时序图如图3所示，之前S2开通，S3导通，S4关断，S3流过从右向左的电流。此时T2的励磁电感Lm2释放能量，T2变压器工作在正激状态，T1此时当做电感使用，其励磁电感储能，t0时S2关断，S4导通，此时Lm2能量没有释放完全，继续通过理想变压器T2的原边续流，Lm1通过T1的原边续流这时副边S4有流过从右向左的电流。此时T1两端电压和T2两端的电压大小相等，方向相反电流为零;

状态2 (t1～t2)：t1时刻Lm2的电流下降到稳态最低值，且此时S1打开，原边自上而下的电流流过，此时T2没有电流流过，原边电流均通过励磁电感流过，Lm2储能，Lm1电流继续减小，能量依旧通过T1往副边传递，同时T1工作在正激状态，此时由T1、负载、S4组成的回路有顺时针的电流流过；

图3 开关时序图

状态3 (t2-t3)：t2时刻S1关断，S3打开，Lm2储能结束，励磁电感Lm2通过T2续流，将开始往副边传递能量，此时T2、S3和负载组成的回路有逆时针方向的电流流过。Lm1继续通过T1续流，其电流继续减小，到t3时刻Lm1的电流减小到稳态最小值。此时T1两端的电压和T2两端的电压大小相等，方向相反，且原边主电流也为零；

状态4 (t3～t4)：t3时刻S2开通，原边流过自下而上的电流，此时理想变压器T1无电流流过，原边电流都经过Lm1，此时Lm1储能，T2工作在正激状态，Lm2继续通过T2续流，副边由T2、S3和负载组成的回路由逆时针方向的电流流过。

3 DSP控制电路设计

开关电源正不断向高频数字化方向发展，使用高性能的DSP芯片对电源进行控制，不仅能使得电路设计更加简单，还可高效快速地实现多种控制算法[7]。控制芯片集控制外设和实时处理功能为一体，为设计控制系统提供了较好的解决方案。本文设计的控制电路采用TMS320LA2407A型号DSP芯片[8]。

3.1 电压检测电路设计

为了输出稳定的电压信号，需要对输出电压进行实时调控，通过采集电路得到输出电压信号经DSP内部ADC模块将模拟信号转换成数字信号，存入DSP存储器中，CPU再对采集到的电压信号进行分析、运算和处理，从而实现对输出电压的控制[9]。由于DSP只能采集0～3.3 V的电压信号，因此在将输入信号采集到DSP的ADC之前，首先要对信号进行处理，包括输入阻抗调整以及硬件滤波，滤除不必要干扰信号。本文电压检测电路如图4所示，运放芯片采用MCP604，单电源3.3 V供电，构成电压跟随器，充当模拟输入信号的驱动以及缓冲器，并提供稳定的输出阻抗，同时保护DSP的ADC输入端。

图4 输出电压采样电路

3.2 D/A转换电路设计

由于芯片本身不带有D/A转换器，因此需要为控制电路设计数字/模拟量转换电路。下图为本文采用的设计方案，T1PWM为幅值不变脉宽可调的PWM波，经过R4和C3组成的RC滤波器以及右边由TL084和其他元件组成的二阶巴特沃斯低通滤波器后便得到了不含有交流分量只含有直流分量的模拟输出分量。

图5 输出电压采样电路

3.3 DSP电源电路设计

TMS320FL2407芯片工作时所要求的电压分为两部分：3.3 V的Flash电压和1.8 V内核电压，所以在此采用电压精度较高的电源芯片TPS767D301，此款芯片输入电压为5 V，芯片起振正常工作后能够产生3.3 V和1.8 V两种电压供DSP使用，图6为电源的产生电路。

图6 DSP电源电路

3.4 过电压和过电流保护

将检测到的过压与过流故障信号经一或非门74LS02传送到DSP的 PDPINTx引脚，一旦有故障信号发生，PDPINTx变为低电平，随即产生功率驱动保护中断，PWM输出引脚立即置为高阻态，封锁驱动信号，从而保护功率电路安全[10]。

4 系统控制算法及软件实现

能使得开关管导通的PWM波形主要通过对相关通用定时器参数的设定而实现的，EV模块中的通用定时器具有比较寄存器TxCMPR和输出引脚TxPWM，当通用定时计数器的值和比较寄存器值产生比较匹配事件时候，使得TxPWM引脚的电平发生跳变，产生PWM波。设定定时器的步骤如下：(1)根据预定的PWM波周期设置TxPR值；(2)通过设置TxCON寄存器来选择计数模式以及时钟源，并使能定时器的比较输出；(3)将PWM脉冲的占空比设定到TxCMPR寄存器中。

每个EV事件管理器含有3个比较单元，而每个比较单元均有一对PWM输出[11]。选择通用定时器1或通用定时器3产生PWM波形，在PWM周期内计数，当比较寄存器的值和计数值与产生比较匹配时，相应的PWM输出PWM波。PWM波形产生的设置步骤基本如下：(1)首先设置并装载ACTRx寄存器的值；(2)避免半桥电路中上下臂开关管同时导通；需要带有死区，因此设置DBTCONx寄存器；(3)初始化CMPRx寄存器；(4)通过设置和装载T1CON或者T3CON寄存器来启动比较操作功能；(5)更新CMPRx寄存器的值，从而改变PWM波占空比。

用通用定时器产生跟比较单元与脉宽调制电路产生的PWM波相比，前者从产生的后级推动变压器输出波形的最佳性或是对死区控制的灵活性而言，均优于后者。因此本设计采用前种控制方式，即采用比较寄存器以及计数寄存器经比较匹配来产生非对称的PWM波，为避免半桥电路两开关管同时开通造成脉冲重叠现象从而导致上下桥臂直通短路，在程序中设置一定的死区时间，这样保证当其中一管导通前另一开关管被完全关断[12]。程序的流程图如图7所示。

图7 主程序、ADC中断服务程序图

5 实验结果分析

为验证设计电路的正确性，对基于设计的拓扑的数字开关电源进行了仿真实验[13]。仿真使用的是Saber软件，Saber作为混合仿真系统，能够兼容模拟及数字控制量的混合仿真，方便在不同层面上分析以及解决问题。根据本电路设计的要求，输入电压为48 V和72 V时得到的输出电压分别为1.8 V和2.2 V。

图8 输出电压1.8 V波形图

图9 输出电压2.2 V波形图

从仿真图形观察可知，当改变电源的输入电压时，输出电压能按照预定值进行改变且输出稳定。

6 结束语

实验结果表明，该设计的数字开关电源集成度高，具有快速稳定、失真小、智能化、高效率等特点，适合应用在对精度要求高的设备，可应用在中小功率的智能化的DC供电场合，具有实际的应用价值[14]。基于 DSP 控制的数字开关电源具备广阔的应用前景，为了能对其进行推广，还需要不断加强研究力度[15]。

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Design of Half Bridge Digital Switching Power Supply Based on DSP

SHEN Shiqing，CHEN Guoping，GU Jian

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

According to the forward converter transformer reset need increase the core complex magnetic circuit,existence the problem of high voltage stress;There are also some defects with the flyback converter,such as the peak current is large and high output voltage ripple. This paper introduces the design of a half bridge switching power supply based on digital DSP .The design proposed a new model of forward and flyback switching power supply,introduced the working principle of the main circuit,using TMS320LF2407A Digital Signal Processor as the core .The hardware circuit design and software digital PID algorithm are accomplished, and the functions of digital sampling, operation and control are realized.

switching power supply; digital current control; DSP technology

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.009

2016- 02- 19

沪江基金资助项目(B1402/D1402)

陈国平(1970-)，男，工程师,硕士生导师。研究方向：电力电子与电力传动。申士卿(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。

TN86

A

1007-7820(2016)12-029-04