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基于數(shù)字化控制的開關(guān)電源的研究

時(shí)間:2008-11-20 14:45:00來源:fenghy

導(dǎo)語:?結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的控制技術(shù),給出了基于單片機(jī)控制和基于DSP控制的兩種數(shù)字化開關(guān)電源,分析比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合
摘 要:結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的控制技術(shù),給出了基于單片機(jī)控制和基于DSP控制的兩種數(shù)字化開關(guān)電源,分析比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合。 關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;模擬控制;數(shù)字控制;DSP 0 引言 開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能型電源。傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用模擬控制技術(shù),使用比較器、誤差放大器和模擬調(diào)變器等元器件來調(diào)整電源輸出電壓。模擬控制方法只適用于頻率高、電力小、功能少的開關(guān)電源,且存在控制電路復(fù)雜、元器件多以及控制電路一旦成型很難修改等缺點(diǎn),不利于開關(guān)電源的集成化和小型化。開關(guān)電源的數(shù)字化控制技術(shù)能夠較好地解決這些問題。本文介紹了開關(guān)電源的數(shù)字化控制技術(shù),并給出了基于單片機(jī)控制和基于DSP控制開關(guān)電源的兩種模型,分析和比較了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用場合,現(xiàn)在介紹如下。 1 開關(guān)電源模擬控制和數(shù)字控制的比較 1.1開關(guān)電源模擬控制的種類與特點(diǎn) 開關(guān)電源的模擬控制方法已經(jīng)使用了數(shù)十年,也形成了一系列的控制方式,大致有3種:脈沖寬度調(diào)制方式PWM、脈沖頻率調(diào)制方式PFM和昆合調(diào)制方式。
圖1為脈寬調(diào)制式(PWM)開關(guān)電源,AC220V輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變成直流電壓U,再由功率開關(guān)管VT斬波、高頻變壓器T降壓,得到高頻矩形波電壓,最后通過輸出整流濾波器VD、C2,獲得所需要的直流輸出電壓U0。利用誤差放大器和PWM比較器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種模擬控制電路因?yàn)槭褂迷骷喽枰艽罂臻g,這些元器件本身的值還會隨著使用時(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動(dòng),并對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負(fù)面影響,不利于模擬系統(tǒng)的測試和維修。另外,模擬控制的控制響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的,因此無法為所有電源值或負(fù)載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。 1.2開關(guān)電源數(shù)字控制的特點(diǎn)與應(yīng)用 所謂電源的數(shù)字控制,也稱為“回路內(nèi)部的處理器”,是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。它必須對兩個(gè)數(shù)字串進(jìn)行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來驅(qū)動(dòng)電源開關(guān),而不是使用傳統(tǒng)模擬PWM比較器。它會將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并在數(shù)字域利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算控制響應(yīng),然后將新產(chǎn)生的控制信息加傳至系統(tǒng)。 數(shù)字控制電源系統(tǒng)有以下特點(diǎn): (1)以數(shù)字信號處理器DSP或單片機(jī)為核心,將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器及PWM控制器作為控制對象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。 (2)采用“整合數(shù)字電源”技術(shù),實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。 (3)高集成度,實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化,將大量的分立元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中。 (4)能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢,使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。 這種技術(shù)可用于負(fù)載時(shí)間恒定的應(yīng)用中,使電源運(yùn)行在高頻狀態(tài),如功率因數(shù)校正、非中斷電源、多個(gè)化學(xué)電池譯電和電機(jī)控制;還可用于采用若干可配置的PWM內(nèi)核及控制、診斷和接口電路的手機(jī)以及PDA的PMU等其他應(yīng)用。運(yùn)行時(shí)間控制電路中的子電路或外設(shè)可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運(yùn)行電壓,以節(jié)能。數(shù)字電源控制可使調(diào)節(jié)器更加靈敏。 2 基于數(shù)字控制技術(shù)開關(guān)電源的方案 結(jié)合當(dāng)前的數(shù)字控制技術(shù)和流行的電源管理模式,我們提出了以下兩種方案。 2.1基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源 隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的進(jìn)一步提高,單片機(jī)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展,已經(jīng)在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、電力電子、汽車電子、機(jī)電一體化等方面得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了巨大的成果。利用單片機(jī)作為控制核心,設(shè)計(jì)方法容易掌握,而且對單片機(jī)的要求不高,成本比較低。該方案采用單片機(jī)通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣,采樣后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié),再把結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對開關(guān)電源的間接控制。其原理結(jié)構(gòu)如圖2
其中:單片機(jī)采用MCS51;A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC2543芯片,該芯片的接口方式采用串口,這種方式相對于并口方式,具有接口簡單,便于擴(kuò)展,體積小的特點(diǎn)。TLC2543的接口是典型的SPI接口,它與MCS51單片機(jī)相連接時(shí),其硬件電路非常簡單。但由于MCS51沒有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口,只能在程序中模仿SPI的操作方式對TLC2543進(jìn)行操作,因而程序要復(fù)雜一些。D/A轉(zhuǎn)換器采用TLC5615芯片與MCS51連接,同樣接口也采用串行方式?!翱撮T狗”(Watchdog)為單片機(jī)提供上電復(fù)位信號,當(dāng)程序紊亂或電壓失常時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的“看門狗”電路強(qiáng)迫單片機(jī)復(fù)位,使程序從頭開始工作;具有512字節(jié)的EPROM存儲單元,用來存放各種重要數(shù)據(jù),以備交流后重要數(shù)據(jù)丟失;外接有串口,通過電平轉(zhuǎn)換連接RS-485或者RS-232,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源與上位機(jī)的信號傳輸;LCD、鍵盤接口電路實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換。 基于單片機(jī)的數(shù)字電源這種方法,雖然控制電路比較復(fù)雜,并且存在一定的延時(shí),對電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度有一定影響,但由于該方法對于單片機(jī)的要求不高,成本也比較低,設(shè)計(jì)方法容易掌握,因此可以在穩(wěn)壓精度和動(dòng)態(tài)性能要求并不是很高的場合下使用。 2.2基于數(shù)字信號處理控制的開關(guān)電源 利用高性能的DSP數(shù)字芯片對電源實(shí)現(xiàn)直接控制,可以簡化控制電路的設(shè)計(jì),再加上這些芯片有比較高的采樣速度(TMS320LF2407內(nèi)部的10、位A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換只需500ns)和運(yùn)算速度,可以快速有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法I?;贒SP控制的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)如圖3。
其中:DSP采用目前流行的TMS320LF2407,主要進(jìn)行數(shù)字PID計(jì)算;復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD根據(jù)DSP計(jì)算的結(jié)果生成數(shù)字PWM波形控制主功率變換器,這樣避免了模擬PWM控制器中的雙脈沖現(xiàn)象和半頻現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了PWM控制的完全數(shù)字化;AID轉(zhuǎn)換電路用作電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集,芯片可采用TLC5540芯片,也可采用TLC2543芯片,通過此AID轉(zhuǎn)換電路采集的電壓等信號,經(jīng)數(shù)據(jù)總線低八位進(jìn)入DSP,與標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號進(jìn)行比較,當(dāng)檢測到輸出電壓幅度高于標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號時(shí),按比例降低占空比,從而實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源輸出正弦波和幅度的調(diào)DSP通過接口電路還可以擴(kuò)展LCD、鍵盤進(jìn)行人機(jī)交換以及通過串口RS-485或RS一232進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信等。 這種基于信號處理數(shù)字的開關(guān)電源,雖然DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本比較高,而且DSP控制技術(shù)相對較難掌握,但由于芯片具有較高的采樣速度和運(yùn)算速度,可以快速有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法,實(shí)現(xiàn)對電源的有效控制,有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度,因此,這種方式將會在今后開關(guān)電源的數(shù)字控制技術(shù)中發(fā)揮重要作用。 3 結(jié)束語 開關(guān)電源采用全數(shù)字化控制技術(shù),可以有效地縮小電源體積,降低成本,大大提高了設(shè)備的可靠性和對用戶的適應(yīng)性,是今后開關(guān)電源發(fā)展的一種趨勢。目前,在通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好地應(yīng)用。該文給出的基于數(shù)字控制技術(shù)開關(guān)電源的兩種方案,適用于不同的環(huán)境,我們可以根據(jù)采樣速度、運(yùn)算速度和控制算法復(fù)雜度等因素選擇不同的方案。 參考文獻(xiàn) [1] 邱偉,侯振義,一種智能高頻開關(guān)電源監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)[J].電源世界,2006,3:15-17 [2] Ka Leung,Alfano,D.Design and Implementation of a Practical Digital PWM Controller[C],2006.APEC6 [3] 黃濟(jì)青,黃小軍.通信高頻開關(guān)電源[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社。2004 [4] 張松,等.基于DSP實(shí)現(xiàn)的軟開關(guān)電源控制系統(tǒng)[J].信息與電子工程。2003,1(2):50~53 [5] 范立南。謝子殿.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M].北京:北京大學(xué)出版社.2006 [6] 張敏娟.48V/25V通信用高頻開關(guān)電源的研究與開發(fā)[D].南京:河海大學(xué)電氣工程學(xué)院,2005

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