基于數(shù)字化控制的開關電源的研究

開關電源被譽為高效節(jié)能型電源。傳統(tǒng)的開關電源采用模擬控制技術,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、功能少的開關電源,且存在控制電路復雜、元器件多以及控制電路一旦成型很難修改等缺點,不利于開關電源的集成化和小型化。開關電源的數(shù)字化控制技術能夠較好地解決這些問題。本文介紹了開關電源的數(shù)字化控制技術,并給出了基于單片機控制和基于DSP控制開關電源的兩種模型,分析和比較了兩者的優(yōu)缺點以及應用場合,現(xiàn)在介紹如下。

  1 開關電源模擬控制和數(shù)字控制的比較

  1.1開關電源模擬控制的種類與特點

  開關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比較器構成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種模擬控制電路因為使用元器件多而需要很大空間,這些元器件本身的值還會隨著使用時間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動,并對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應能力造成負面影響,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載點提供最優(yōu)化的控制響應。

 

  1.2開關電源數(shù)字控制的特點與應用

  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。它必須對兩個數(shù)字串進行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來驅(qū)動電源開關,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)計算控制響應,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:

 。1)以數(shù)字信號處理器DSP或單片機為核心,將數(shù)字電源驅(qū)動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。

  (2)采用“整合數(shù)字電源”技術,實現(xiàn)了開關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,使所設計的數(shù)字電源達到高技術指標。

  這種技術可用于負載時間恒定的應用中,使電源運行在高頻狀態(tài),如功率因數(shù)校正、非中斷電源、多個化學電池譯電和電機控制;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以及PDA的PMU等其他應用。運行時間控制電路中的子電路或外設可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運行電壓,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)字控制技術開關電源的方案

  結(jié)合當前的數(shù)字控制技術和流行的電源管理模式,我們提出了以下兩種方案。

  2.1基于單片機控制的開關電源

  隨著電子技術的迅猛發(fā)展和超大規(guī)模集成電路設計的進一步提高,單片機技術也得到了迅速發(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、機電一體化等方面得到了廣泛的應用,并取得了巨大的成果。利用單片機作為控制核心,設計方法容易掌握,而且對單片機的要求不高,成本比較低。該方案采用單片機通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進行采樣,采樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算和調(diào)節(jié),再把結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中,實現(xiàn)單片機對開關電源的間接控制。其原理結(jié)構如圖2。

 

  其中:單片機采用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,便于擴展,體積小的特點。TLC2543的接口是典型的SPI接口,它與MCS51單片機相連接時,其硬件電路非常簡單。但由于MCS51沒有標準的SPI接口,只能在程序中模仿SPI的操作方式對TLC2543進行操作,因而程序要復雜一些。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)為單片機提供上電復位信號,當程序紊亂或電壓失常時啟動內(nèi)部的“看門狗”電路強迫單片機復位,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,實現(xiàn)了開關電源與上位機的信號傳輸;LCD、鍵盤接口電路實現(xiàn)了人機交換。

  基于單片機的數(shù)字電源這種方法,雖然控制電路比較復雜,并且存在一定的延時,對電源的動態(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的要求不高,成本也比較低,設計方法容易掌握,因此可以在穩(wěn)壓精度和動態(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電源

  利用高性能的DSP數(shù)字芯片對電源實現(xiàn)直接控制,可以簡化控制電路的設計,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)和運算速度,可以快速有效地實現(xiàn)各種復雜的控制算法I;贒SP控制的開關電源原理結(jié)構如圖3。

  其中:DSP采用目前流行的TMS320LF2407,主要進行數(shù)字PID計算;復雜可編程邏輯器件CPLD根據(jù)DSP計算的結(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)總線低八位進入DSP,與標準正弦波信號進行比較,當檢測到輸出電壓幅度高于標準正弦波信號時,按比例降低占空比,從而實現(xiàn)對開關電源輸出正弦波和幅度的調(diào)DSP通過接口電路還可以擴展LCD、鍵盤進行人機交換以及通過串口RS-485或RS一232進行數(shù)據(jù)的通信等。

  這種基于信號處理數(shù)字的開關電源,雖然DSP芯片結(jié)構復雜,成本比較高,而且DSP控制技術相對較難掌握,但由于芯片具有較高的采樣速度和運算速度,可以快速有效地實現(xiàn)各種復雜的控制算法,實現(xiàn)對電源的有效控制,有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度,因此,這種方式將會在今后開關電源的數(shù)字控制技術中發(fā)揮重要作用。

  3 結(jié)束語

  開關電源采用全數(shù)字化控制技術,可以有效地縮小電源體積,降低成本,大大提高了設備的可靠性和對用戶的適應性,是今后開關電源發(fā)展的一種趨勢。目前,在通信領域已經(jīng)得到了較好地應用。該文給出的基于數(shù)字控制技術開關電源的兩種方案,適用于不同的環(huán)境,我們可以根據(jù)采樣速度、運算速度和控制算法復雜度等因素選擇不同的方案.

 


【上一個】 低壓大電流的開關電源設計方案 【下一個】 通信開關電源冷卻方式對性能和使用壽命的影響


 ^ 基于數(shù)字化控制的開關電源的研究