基于TMS320F28027的直流稳压电源设计

刘虎 刘增力

摘 要：随着电力电子技术的发展，开关电源也朝着小型化、高效、高精度的方向发展。设计一种采用Buck型降压电路进行降压，以DSP芯片TMS320F28027为主控制器，通过模糊控制方法控制电压和电流稳定输出，同时具有可靠闭环控制的直流稳压电源。该直流稳压电源能够提高开关电源的精度和效率，也使设计成本大大降低。实验结果表明，相比于传统设计方法，采用该设计后整机效率最高可达92.01%。

关键词：TMS320F28027；开关电源；直流稳压电源；Buck型；模糊控制算法

DOI：10.11907/rjdk.172534

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0069-03

Abstract：With the development of power electronic technology， switching power supply technology is improved continually toward miniaturization， high efficiency and high precision. Based on the development trend of switch power supply， the paper designs a DCvoltage-stabilized source that adopts a type of buck step-down circuit to improve the step-down，regards DSP chip TMS320F28027 as the main controller to realize stable output of voltage and current through fuzzy control and also possesses reliable closed-loop control.The designed DC voltage-stabilized source can realize high precision and high efficiency of switching power better，and also save the design-cost greatly. The result of experiment shows that the maximum overall efficiency can reach 92.01% by this design when compared with traditional design.

Key Words：TMS320F28027； switching power； DC voltage-stabilized source； Buck mode； fuzzy control algorithm

0 引言

如今，电力电子技术已广泛应用于生活的各个领域，人们在使用电子设备时，离不开开关电源的保障。随着传统电源技术开始往大电流、低输出的方向发展，轻、薄、小及高可靠性也成为开关电源的发展趋势[1]。但研究发现，传统开关电源在精度、功耗和控制方面都存在一些缺陷。因此，提高开关电源精度、降低功耗、增強电源可靠性在电力技术研究中具有重要意义。

1 方案选择

1.1 DC-DC主回路拓扑

本文采用Buck型降压电路进行降压，Buck型电路原理主要是通过驱动信号不断驱动开关管闭合和导通，使电容电感充放电，从而让输出电压不断调整，最后稳定在一个定值。具体过程为：开关管受驱动信号控制导通时，回路中的电容C开始充电，电感L因为回路导通电流不断增加，电感内存储的能量也不断增加，电路中的续流二极管因电流反向而截止；开关管受驱动信号控制关断时，L会释放之前存储的能量，电感L中因电流发生变化而产生感应电动势，使续流二极管导通，从而使电感和二极管构成一个新回路，负载上出现输出电压；当电容C的电压高于负载两端电压时，电容C向负载释放能量[2]；开关管受驱动信号控制重复上述过程，使输出电压不断调整，从而趋向一个定值；稳流电路采用霍尔传感器进行电流检测，经过集成运放LM358进行电压放大，得到输出电压。将此电压反馈给主控系统进行处理，从而实现稳流。

1.2 稳压及稳流控制方法与实现方案

在控制算法方面采用模糊控制算法，传统控制方法主要依赖于数学算法模型，而且模型参数已知。但大多系统本身往往是一个未知或无法描述的模型，参数也是变化或未知的。DC-DC变换器属于强非线性模型，模型本身和参数也不确定，模糊控制算法应用于其中能很好地解决该问题。模糊控制是一种自适应算法，其设计不再需要准确、已知的数学模型，而主要依赖于设计者的设计经验。因此，应用该算法可以大大增强算法的稳定性[3]。PWM型DC-DC变换器的模糊控制方案框架如图1所示。

由图1可见，模糊控制器的输入为输出电压误差e及其时间导数ce，输出为dk，定义如下：

1.3 效率提升方法及实现方案

（1）开关管选择。选用PNP型MOS管IRF4905作为开关管，其具有极低的导通阻抗、快速的转换速率，从而使输出电压和电流快速可调。

（2）在Buck型降压电路采用推挽式结构，该结构可以消除Buck电路场效应管中结电容的影响，从而提高开关管灵敏度，进而提高系统的整机效率[4-5]。

（3）采用高性能的数字信号处理芯片TMS320F28027。该芯片具有稳定性好、精度高、处理速度快的优点，其决定了系统整体性能。

2 系统设计

2.1 系统结构

系统以TMS320F28027为主控芯片控制Buck型降压电路，主要分为主控模块、Buck型降压模块、电流检测模块、无线WiFi模块、液晶显示模块与供电模块。系统输入端为13～16V的直流波动电压，输出电压范围为5～10V，输出电流范围为150～1 500mA。该系统配有红外系统和WiFi模块，能够通过遥控器或手机调整系统输出模式，同时能输出电压作步进调整。同时，配有液晶显示模块，能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示。系统框架如图2所示。

2.2 主回路器件选择及参数计算

（1）主控芯片选择及最小系统。采用STM320F28027芯片作为主控芯片，具有高效32位中央处理单（CPU） ，3.3V 单电源，集成型加电和欠压复位，两个内部零引脚振荡器[6]。

（2）电流传感器选择。电流传感器采用ACS712，能够将直流或交流电流转化成与之成比例的电压信号。这主要是由内部的霍尔传感器电路决定的，该电路是一个线性电路，具有高精度、低偏置的优点。ACS712的功能优势明显，有低功耗、低噪声、响应速度快（对应步进输入电流，输出上升时间为5s）、总输出误差最大为4%、50kHz带宽、高输出灵敏度（66 mV/A～185mV/A）等优点[7]。

（3）WiFi模块选择。模块参数为单流WiFi@2.4GHz，支持WEP、WPA/WPA2安全模式；自主开发MCU平台，超高性价比；具有完全集成的串口转WiFi功能；支持多种网络协议，而且具备WiFi连接配置等功能；支持Smart Link智能联网功能（提供APP）；PWM信号输出最多可达3路；提供丰富的AT+指令集配置；1×10管脚 2mm插针连接器；3.3V单电源供电；操作系统和驱动可支持低功耗选项；具有小体积、低功耗、低成本、支持WPS、支持Smart-LINK等优点[8]。因此，可通过WiFi模块使用手机对电路进行控制，同时在手机上输入显示。手机显示界面如图3所示。

（4）电感参数计算。包括：①占空比，根据电感计算公式（（Ui-Uo）/L）×D=（Uo/L）×（1-D），已知输入电压Ui=13V，输出电压Uo=5V，D=Uo/Ui。因此，这里D=0.3846；②Io的输出范围为150～1500mA；③确定通道时间Ton，Ton=T×D。设定频率为75kHz，所以Ton=5us；④在设计Buck型电路时，电感量的选择原则是使电感纹波电流为电感电流的20%，所以dI=0.2×Io，根据公式（（Ui-Uo）/L）×Ton=dI，所以选取的电感为L=100μH[9]。

（5）电容参数计算。开关电源滤除纹波电压或电流是通过在电路中加入滤波电容实现的，电流纹波主要靠主回路电容滤除，电容的选择原则是在开关管导通或截止时，电容值阻抗远小于负载阻抗，这样在整个电路中电容能流过最多的电感电流纹波，而加载在负载中的纹波则减少到最低。而输出纹波电压主要由输出滤波电容决定，其中输出电容的等效串联电阻和输出电压纹波有直接关系，电路中的纹波电流要小于电容内的纹波电流[10-11]。本文选取两个1 000μF和470μF的电解电容并联，从而减小了等效的串联电阻，起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

2.4 效率分析及计算

此电路设计中主要的损耗是热损耗，另外还有光、电磁辐射等，主要的耗能元件是开关器件、电阻、电流传感器、发光二极管等。其中驱动部分采取推挽式驱动，优点是损耗很小、反应快捷。开关元件IRF4905是压降性元件，功耗相对较小。综合来看，整个电路的损耗较小，可以达到理想要求。

由上述数据分析可知：在空载情况下，电路净损耗是0.5W；当负载增大时，总功率增加，电路净损耗不变，所以效率会越来越高，可达90%以上[12]。

2.5 保护电路设计與参数计算

本项目主要通过对系统电流的检测控制PWM信号脉冲宽度，从而达到过流保护的目的。本设计采用限流—切断式保护，具体实现过程为：当输出电流达到系统设定值时，保护电路开始工作，通过保护电路将输出电压减少到正常值，同时负载电流被限制；如果输出电流继续增大到第二个设定值，该电路会继续工作，将电路中电源切断以保护电路器件[13]。

2.6 算法流程

算法流程如图4所示。

3 测试方法与结果分析

3.1 测试方法

（1）用红外遥控输入13～16V的电压值，观察LCD上显示的参数值。

（2）用手机通过WiFi控制模块输入电压值，分别调节稳压电源、稳流电源，在手机上显示各项参数值[14]。

3.2 测试仪器

本次测试选用的仪器设备如表2所示。

3.3 测试数据及处理

为了检验本次设计开关电源的效率和可靠性，分别对稳压和稳流模式做了多组实验，包括电压和负载调整率、纹波电压和电流、整机效率等。实验数据表明，稳流模式效率可达92.01%，噪声纹波电压和电流均在毫伏毫安量级，电压、负载调整率均在1%以下。测量精度较高，可靠性较强。

由表3可知，在输出电流为1A，输入电压在13～16V之间变化时，电压调整率为0.1%。

由表4可知，当输入电压为15V，改变负载电阻，使输出电流在0～1A之间变化时，负载调整率为0.6%。

由表5可知，在稳流模式下，输入电压在13～16V之间变化，输入电流为1A时，电压调整率为1%。

由表6可知，在稳流模式下，输入电压和电流分别为15V、1A时，改变负载阻值，测得负载变化率为1%。

此外，还对整机效率、纹波电压和纹波电流进行测试。测试结果表明，稳压模式下系统整机效率为75.76%，稳流模式下效率可达92.01%，纹波电流和电压均在毫伏（mV）或毫安（mA）的数量级以下。

4 结语

本文以Buck型降压电路为核心，以DSP芯片TMS320F28027为主控制器，通过主控制芯片的PWM功能控制电压和电流的稳定输出。系统输出的调整是根据反馈信号对PWM信号作出调整实现的，从而保障了系统可靠性，能够进行稳压稳流的输出，同时有效避免了传统设计的弊端。但在整个设计过程中还存在一些误差，有些误差是无法避免的，但有些可能通过后续研究加以避免。其中最主要的积累误差是对效率等进行理论分析和计算时，由于采用参数均是器件的理论值，但器件实际参数并不是唯一不变的，而是具有鲜明的离散性，系统整体性能不可能达到理论分析值。同时电路的制作工艺并非理想，会增加电路中的损耗。测量器件误差将导致测量数据误差，最终导致计算结果产生误差[15]。这也是今后设计需要改进的方向，为下一步研究提供了一个切入点。

参考文献：

[1] 杨思俊.基于DSP数字化开关电源研究设计[J].自动化与仪器仪表，2017（2）：39-41.

[2] 马胜.直流电源输出阻抗的测量、仿真及应用研究[D].北京：中国科学院大学，2013.

[3] 丁茂生，王钢，赵建仓.DC-DC变换器数字控制方法[J].电气自动化，2003，25（4）：10-12.

[4] 沙占友，王晓君，李春明.提高单片开关电源效率的方法（单片开关电源系列之六）[J].电工技术，2001（2）：45-46.

[5] ZENGER K， HEIKKINEN K， GADOURA I， et al. System modelling and control in the design of DC-DC converters[J]. IFAC Proceedings Volumes，1999.

[6] 丁茂生，王钢，赵建仓.DC-DC變换器数字控制方法[J].电气自动化，2003，25（4）：10-12.

[7] 刘继中.一种基于WiFi的智能插座控制系统设计与实现[D].大连：大连海事大学，2016.

[8] 兰羽.基于AT89S51的数控直流稳压电源设计[J].国外电子测量技术，2012（10）：59-62.

[9] 刘新竹.基于单片机的高精度数控直流稳压电源的设计[J].自动化应用，2013（10）：14-15.

[10] 查恋池.挖泥船电磁流量计的电池供电系统设计研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[11] MARTINEZ-SALAMERO L，CID-PASTOR A，AROUDI A EL， et al. Sliding-mode control of DC-DC switching converters[J]. IFAC Proceedings Volumes，2011，44（1）：1910-1916.

[12] 哈远欣.介质阻挡放电电源和放电特性及其应用的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[13] LIU Z H. DC-DC power supply apparatus method for improving DC-DC power supply apparatus[P].US2010177536，2010-07-15.

[14] 顾振飞.数控直流稳压电源的测试[J].电子世界，2011（15）：44-45.

[15] 樊瑆，王彬.直流稳压电源的常见故障分析[J].炼油与化工，2015（6）：58-59.

（责任编辑：黄 健）