基于DSP的PWM型開關(guān)電源的設(shè)計及工作原理分析與仿真驗證

目前,開關(guān)電源以具有小型、輕量和高效的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于以電子計算機(jī)為主異的各種終端設(shè)備和通信設(shè)備中,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式.與之相應(yīng),在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動下,DSP芯片的發(fā)展日新月異,功能日益強(qiáng)大,性價比不斷上升,開發(fā)手段不斷改進(jìn),其處理速度比CPU快10～15倍,因此基于DSP芯片的開關(guān)電源可以說是天作之保,擁有著廣闊的前景,可用于選進(jìn)的機(jī)載電源中,也是開關(guān)電源今后的發(fā)展趨勢.

1 PWM型開關(guān)電源原理

PWM型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

市電信號經(jīng)過輸入濾波和整流濾波后實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換,將電網(wǎng)交流電直接整流為較平滑的直流電,以供下一級變換;再經(jīng)過逆變器后實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換,將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟?這是PWM型開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)PWM控制的核心部分,其頻率越高,體積、重量與輸出功率之比越小.最后在通過輸出整流與濾波,根據(jù)負(fù)載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源.

2 PWM控制原理

開關(guān)電源控制原理圖如圖2所示.圖中,開關(guān)K以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開,在開關(guān)K接通時,輸入電源E可通過開關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL為負(fù)載提供能量;為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量,開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置,在開關(guān)接通時將一部分能力儲存起來,在開關(guān)斷開時,向負(fù)載釋放[4].圖2中,由電感L、電容C2用以儲存能量,在開關(guān)斷開時,儲存在電感L和C2中的能量通過二極管D釋放給負(fù)載,使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量.因二極管D使負(fù)載電流連續(xù)不斷,所以稱為續(xù)流二極管.AB間的電壓平均值EAB可表示為:

EAB=TON|Tmes;E (1)

式中,TON為開關(guān)每次接通的時間,T為開關(guān)通斷的工作周期(即開關(guān)拉通時間TON和關(guān)斷時間TOFF之和).由

式(1)可知,開關(guān)接通時間和工作周期的比例改變,AB間電壓的平均值也隨之改變,因此,隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整TON和T的比例,便能使輸出電壓V0維持不變.改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比,這種方法為“時間比率控制”(me Rao Control,縮寫為TRC)[1].這里按照TRC原理選擇了開關(guān)周期T恒定,通過改變脈沖寬度TON來改變占空比,這種方式稱為脈寬調(diào)制方式(PWM),用來實(shí)現(xiàn)對電壓幅值頻率的控制.

3 DSP芯片TMS320LF2407簡介

TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時信號處理而設(shè)計的,該系列DSP集實(shí)時處理能力和控制外設(shè)功能于一身,為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了理想的解決方案.

TMS320LF2407在TMS320 系列的基礎(chǔ)上有以下特點(diǎn)[2]:

(a) 高性能10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的轉(zhuǎn)換時間為500ns,提供多達(dá)16路的模擬輸入.

(b) 基于TMS320C2xx第洌的CPU核保證了其與TMS320系列DSP的代碼兼容.

(c) 具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB,每個均可提供兩個16位通用定時器和八個16位的PWM通道.

(d) 高達(dá)24K的FLASH程序存儲器.

(e) 可擴(kuò)展外部存儲器.

(f) 五個外部中斷(兩個驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩上可屏蔽中斷).

4 利用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)SPWM

4.1 SPWM控制的基本原理

所謂SPWM即PWM中脈沖寬度按正弦規(guī)律變化.由采樣理論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上,其效果基本相同可知,為了在輸出端得到正弦波,就需要輸出一系列幅值相等而寬度不等的矩形波.采用三角載波的規(guī)則采樣法,就可以得到寬度按正弦規(guī)律變化的矩形波.如圖3所示,每個脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波的中點(diǎn)對稱,在三角載波的負(fù)峰時刻TD對正弦波采樣得到D點(diǎn),過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn),在A點(diǎn)時刻tA和B點(diǎn)時刻tB控制功率器件的通斷.可見AB長度即為脈沖寬度,由圖可得如下關(guān)系式:

AB=Tc(1+sinωctD)/2 (2)

根據(jù)這一關(guān)系式可知,如果一個周期內(nèi)有N個矩形波,則第I個矩形波的占空比為:

4.2 利用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)SPWM控制

這里以EVB中的通用定時器3及與之相關(guān)的比較單元為例來說明實(shí)現(xiàn)SPWM控制的過程.

TMS320LF2407中EVB的定時器3個有三個與之相關(guān)的比較單元:比較單元4、5、6,每個比較單元都有一個相應(yīng)的比較寄存器:CMPR4、CMPR5和CMPR6.每個比較單元都可單獨(dú)設(shè)置成比較模式和PWM模式,設(shè)置為PWM模式時,每個比較單元有兩個極性相反的PWM輸出.因此利用TMS320LF2407可實(shí)現(xiàn)對三相橋式逆變電路的SPWM控制.在周期寄存器T3PR的值一定的情況下,通過改變比較寄存器的值就可以改變輸出矩形脈沖的寬度[3].

根據(jù)式(3)所得的占空比表達(dá)式,再利用通用定時器比較單元的PWM特性,就可以很容易地實(shí)現(xiàn)SPWM.首先介紹一下產(chǎn)生PWM的寄存器設(shè)置,其步驟如下:

(1) 裝載比較方式控制寄存器ACTRB.

(2) 如果使能死區(qū),則設(shè)置和裝載死區(qū)時間控制寄存器DBTCONB(如使能則可避免上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖.)

(3) 設(shè)備和裝載定時器3周期寄存器,即規(guī)定PWM波形周期.

(4) 初始化EVB的比較寄存器CMPR4、CMPR5、CMPR6.

(5) 設(shè)置和裝載定時器3的控制寄存器T3CON.

(6) 更新比較寄存器的值,使輸出的PWM波形占空比發(fā)生變化.

具體的程序設(shè)計方法如下:

(1) 系統(tǒng)初始化后根據(jù)載波頻率和信號頻率計算出每個周期需要輸出的矩形波個數(shù),從而確定定時器的周期,以設(shè)置頻率參數(shù)及脈沖個數(shù).

(2) 根據(jù)式(3)計算出每個矩形脈沖的占空比,用占空比乘以周期寄存器的值,從而計算出比較寄存器的值.該過程作為計算子程序,并使脈沖指針個數(shù)I加1.

(3) 在周期中斷子程序中將計算所得出的比較寄存器的值送到比較寄存器,當(dāng)達(dá)到一次載波周期時置相應(yīng)的標(biāo)志位.

(4) 主程序根據(jù)標(biāo)志位來判斷是否已完成一個周期的操作.如果標(biāo)志位TC上已置1,則清標(biāo)志位,調(diào)計算占空比子程序,然后進(jìn)入等待狀態(tài);如果標(biāo)志位上未置1,則直接進(jìn)入等待狀態(tài).其主程序流程圖如圖4所示.

雖然利用單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)SPWM,但運(yùn)用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及其速度優(yōu)熱可以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時性,滿足逆變電源更高的要求,為電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供必要的軟硬件基礎(chǔ).其與單機(jī)的性能比較見表1.

5 仿真結(jié)果

在軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上結(jié)合硬件,得到了在eclectonics workbench環(huán)境下經(jīng)正弦調(diào)調(diào)制而未整流濾波的仿真結(jié)果,如圖5、6、7所示.

由圖5、圖6比較可以看到,輸出電壓頻率為40Hz,負(fù)載分別在10Ωt和10kΩ時輸出的波形為很好的正弦波,頻率符合要求,可見負(fù)載的變化對輸出結(jié)構(gòu)影響不大;由圖5圖7可以看到,當(dāng)負(fù)載為10Ω時,輸出電壓頻率分別在40Hz和400Hz時的輸出波形變化不大,可見頻率變化對輸出波形影響也不大.

由仿真結(jié)果可以看到基于DSP芯片的PWM型開關(guān)電源系統(tǒng)具有穩(wěn)定快、失真小、負(fù)載對系統(tǒng)影響小等特點(diǎn),而且頻率可在軟件部分調(diào)整,這為其應(yīng)用于對精度要求高的尖端電子設(shè)備提供了保障.