基于DSP的数字开关电源设计与实现

朱亦丹，张小伟

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101）

0 引 言

随着我国经济社会的快速发展和工业企业的不断进步，电力电子技术应用水平进一步增强，开关电源尤其是数字信号处理技术下的数字开关电源设计逐步得到了越来越广泛的应用。传统模式下的基于模拟控制技术的开关电源发展历经多年，理论知识与实践应用较为成熟，但由于模拟控制技术存在着自身无法克服的重要缺陷，而数字开关电源技术的出现正好弥补了该缺陷，为电力电子产业注入了全新的发展活力。因此，随着当代社会数字化控制技术和数字控制电路结构的进一步发展，市场需求推动下的基于DSP的数字开关电源设计与应用优势不断显现。在此背景下，本文探讨研究了基于数字信号处理的数字开关电源的设计与应用，具备重要的理论意义和现实价值。

1 DSP相关概述

DSP是基于数字运算原理及对应处理技术下的重要信息微处理器，图1即为数字信号处理系统。在数字信号处理过程中，模拟信号经过转换器转换为排序为0或1的一系列数字序列，随后采用电路运行标准及数字滤波工具进行数字运算及数字化处理，再进一步将获取得到的数字化运算结果与处理结果，通过数字信号处理设备自身所具备的算法架构完成数字信号到电力电子结构中控制量的转化与生成，最后借助PWM信号或者数字模拟信号转换器将其转化为模拟信号或控制量。由于数字信号处理技术本身具备强大的计算能力，且整个计算过程灵活多变，能根据计算目标进行结果导向的编程运算，因此采用数字信号处理技术，能够处理多条相关的计算数据，保证计算质量。与其他传统模式下的模拟处理器相比，数字信号处理器在数字信号处理方面具备难以比拟的重大优势。

图1 数字信号处理系统逻辑示意图

2 基于DSP的数字开关电源设计

2.1 整体电路设计

基于数字信号处理技术的数字开关电源设计整体电路主要包括输入电网滤波、输入整流滤波、DC-DC变换、设备输出滤波、数字信号处理控制电路、驱动电路、电压电流反馈电路以及人机接口电路等重要组成部分，其整体框架结构如图2所示。在基于数字信息处理技术的数字开关电源设计过程中，交流电输入电压经过电网滤波与整流滤波后得到相对应的直流电压，而该直流电压再经过DC-DC变换电路内部各相关结构的高频逆变和高频变压器隔离变换后，形成一系列相对应的输出直流电压值，最终经过输出滤波电路得到终端所需的高质量高品质的直流电压[1]。在输入电网滤波与输入整流滤波、输出滤波电路甚至辅助电源电路等诸多部分的基础设计后，基于数字信号处理的数字开关电源系统设计与传统模式下的模拟控制技术电源电压设计系统截然不同，而人机接口电路的存在主要是为检测数字信息处理技术下电源开关设计后的各项参数及处理器基准电压数值，保证相关参数信息能达到预先设计指标。

图2 数字开关电源设计整体架构图

2.2 DSP控制电路设计

基于数字信号处理的数字开关电源设计过程中，数字信号控制电路设计是其重要内容。在采用DSP处理器为核心控制芯片的基础上，利用输出电压和电感电流在反馈网络上的不同表现，将反馈网络上的相应反馈信号转化为数字信息处理技术所需的电平数据，进一步将其传递到数字信号处理过程中的AD转换接口，利用转换后的数据信号与人机接口处的电路输入电压值基准信号进行对比，在所有数据信号经过电压电流调制后获得相对应的正弦调制信号数据[2]。经过正弦调制后的数据信号与数字信号处理器定时产生的三角波载波数据信号相交，输出带有一定参数值的脉冲宽度调制模拟控制信号，最后借助数字信息处理系统中的驱动单元，将控制信号传输到绝缘栅双极型晶体管，完成整个数字信号处理过程。

2.3 DC/DC变换电路设计

由于全桥式变压隔离器开关管能在承受最小化开关电压和最小化开关电流的基础上，保证整个电路系统中的功率开关处于非常安全的运行状况，且整个电路主变压器只需一个原边绕组，即可借助其正反方向的改变变换整个电路的电压，得到相对应的正反向磁通变量。副边绕组则采用全桥全波整流方式输出，变压器铁芯和绕组能够得到最大限度的利用，电流功率的利用效率和利用密度能得到最大限度提升[3]。因此，在基于数字信号处理的数字开关电源设计与功能实现过程中，采用全桥隔离使PWM变换器借助绝缘栅双极型晶体单管容易驱动，并具有管路电压高以及电流值大等诸多优势，将其利用于大功率开关电源电路的设计过程，整个DC/DC变换电路设计如图3所示[4]。

图3 DC/DC变换电路设计图

由图3可知，数字化电源开关设计系统中的任意一个绝缘栅双极型晶体单管旁均配备有一定参数值的阻容吸收回路。在绝缘栅双极型晶体单管电路电压或者电流过大瞬间断开时，缓冲器元件能通过提供交流通道减少数字信息处理技术下功率管断开时的集电极电压应力的增加幅度，确保整个变换电路处于正常运行状态。

2.4 驱动电路设计

在基于数字信号处理技术的数字开关电源设计过程中，由于常规PWM波驱动电路能力有限，而绝缘栅双极型晶体管要求PWM波的驱动能力在一定限值以上，因此在数字信号处理器和绝缘栅双极型晶体管之间必须配备相对应的驱动电路，以增强整个电路回路的正常运行能力，保证绝缘栅双极型晶体管能够在最短时间内开通或关闭整个电路[5]。在此过程中，驱动电路主要完成弱电控制回路与大功率强电主回路之间的电气隔离及通过驱动电路提供绝缘栅双极型晶体管开关所需电压和电流两大功能。在此背景下，本文采用保护功能完善、工作频率稳定却频率值较高、外在可调节参数较多、价格低廉且能与其他各种类型驱动器兼容的光耦隔离驱动芯片，典型光耦内部电路如图4所示。利用数字信息处理技术产生的PWM信号，从驱动芯片引脚输入处开始，通过驱动芯片的内部控制与转换，使其从引脚输出，与驱动信号连接，从而控制整个电路开关器件的联通与关闭。

图4 典型光耦内部电路图

2.5 数字PID控制算法

数字PID控制算法是实行采样控制的重要技术理论，能根据采样时刻的瞬时偏差值计算整个电路的实际控制量，图5即为控制过程示意图。在基于数字信号处理的数字开关电源设计与功能实现过程中，利用连续的数字PID控制算法并不适用，而需将连续型PID控制算法采用离散化方法处理，使其呈现离散化状态。在数字PID控制算法应用过程中，又可进一步将其分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，部分专家学者甚至进一步改进数字PID算法，将其分为积分分流法、遇限削弱积分法以及不完全积分法等诸多类别[6]。在本文基于数字信号处理的数字开关电源设计与功能实现过程中，主要采用微分先行的PID控制算法和带死区的PID控制算法，在预设某一基准电压值的基础上，根据基础推理原理得到增量型PID算法，能够有效节省整个数字开关电源设计系统存储空间，保证系统功能快速实现。但在此过程中，由于计算机输出增量有限且对误差动作影响较小，因此必要时可采取逻辑判断方法，去掉计算机输出增量，避免计算机增量控制难度过大而造成的积分失控，使整个电路系统获得更优良的调节品质。

图5 控制过程示意图

3 应用案例与实现

为进一步探讨基于数字信息处理技术的数字开关电源设计与功能实现，本文利用DSP芯片为着重研究对象，探讨DSP对数字开关电源的控制作用，重点分析DSP芯片的构成及其应用两大部分，图6即为待研究案例中的电源设计框架图[7]。

图6 待研究电源设计框架图

就数字信息处理芯片的构成而言，在数字电源开关实践应用过程中，DSP芯片主要应用于处理电源信号，整体结构相对复杂，由数字转换器完成时间转换，往往保持500 ns的高效率转换模式，同时数字开关电源中的16路信号必须同时运行[8]。也就是说，DSP芯片构成的核心处理器中，必须保持与DSP芯片同样的代码兼容特性。此外，DSP芯片构成还应进一步包含定时器、存储器以及管理器等诸多结构，利用数字信息处理技术高效控制数字开关电源的断开与接通，体现数字信息处理技术的重要功能。

数字信息处理技术在数字开关电源设计中的应用结构原理如图7所示，利用具备编程功能的CPD设备，根据数字开关电源设计中的数字芯片计算结果，得出相对应的波形控制要求，再进一步借助PWM直接控制整个数字开关电源设计电路系统，使整个电源系统进入数字化控制状态，最终结合数字开关电源设计中各项硬件设备与软件结构，精确控制数字开关电源的连通与关闭过程，避免数字开关信号错误引起的误差[9]。在此过程中，数字信号处理部分作为数字化电源开关系统正常运行的基本软件支撑和运行中心，是直接连接接口电路、PWM脉冲信号及数据处理中心等重要设备的中介桥梁，引导着数字化开关电源系统的整个正常运行过程，也是DSP芯片展示其监督管理作用的直接体现，能够准确处理数字化电源开关系统运行过程中出现的数字信号与开关电源信号的对接问题，实现电路系统的数字化运行与管理，规避常规模拟状态下的电源运行风险[10]。

图7 数字信息处理技术运行原理

4 结 论

基于数字信息处理技术的数字开关电源设计，不仅具备数字化、智能化以及自动化的优势，更能够有效保障电源开关的准确控制，实现电源快速联通与断开的功能。同时，数字开关电源在数字信息技术的高效率支撑下，直接拓宽了原有功能应用范围，能够处理各类型更加复杂的工业生产开关问题，能够有效控制电源的整体运行，优化数字开关电源流程与运营流程，降低日常运营成本。