基于dsp單芯片的多路電源研究

1、<p>　　基于DSP單芯片的多路電源研究</p><p>　　中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　本研究揭示了一種基于DSP單芯片的多路電源的原理。電源中包含ZIGBEE無(wú)線模塊，DMX512模塊，以一片DSP芯片輸出的8路PWM信號(hào)管理8路開(kāi)關(guān)電源的MOSFET，通過(guò)AD功能采集電源的電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，電源采用高效率的BUCK模式。非常

2、適合于大功率LED路燈、隧道燈上使用。此電源具有監(jiān)測(cè)燈具溫度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流，監(jiān)測(cè)LED的電流功能，從而我們可以根據(jù)實(shí)際的照明要求來(lái)調(diào)節(jié)燈光的亮度，也可以通過(guò)通訊模塊將燈具的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)的回傳到數(shù)據(jù)管理中心。方便了路燈、隧道燈的管理，降低了維護(hù)成本，節(jié)約了大量的電費(fèi)。 </p><p>　　一種基于DSP高性能的多路電源，其特征在于，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)高性能DSP芯片，至少一個(gè)基于ZIGBEE協(xié)議的無(wú)線傳輸模塊；

3、電源的輸入電壓采用安全電壓DC48V,電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用高效率的BUCK方式。 </p><p>　　根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能DSP芯片，其特征在于：DSP芯片至少有8路PWM寄存器，9路AD轉(zhuǎn)換功能口，1路UART接口，以及相關(guān)的一些通訊GPIO口，8路PWM可以控制8路電源的開(kāi)關(guān)器件，9路AD轉(zhuǎn)換功能口中的8路作為電源檢測(cè)信號(hào)使用，一路檢測(cè)電源的溫度使用，UART口作為ZIGBEE模塊通訊使用 </p

4、><p>　　根據(jù)權(quán)利要求2所述的8路PWM控制，其特征在于：使用DSP 的PWM來(lái)管理開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)器件，從而可以不使用電源管理芯片，可以根據(jù)電源的輸出反饋來(lái)實(shí)時(shí)的控制開(kāi)關(guān)頻率。 </p><p>　　基于DSP單芯片高性能LED燈具電源 </p><p><b>　　技術(shù)領(lǐng)域 </b></p><p>　　本研究涉及大功

5、率的LED燈具數(shù)字電源，涉及一種新的LED照明電源的管理系統(tǒng)， </p><p><b>　　技術(shù)背景 </b></p><p>　　目前路燈照明所采用光源有白熾燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈等，這些燈存在不環(huán)保（含有汞、鉛、砷等重金屬物質(zhì)對(duì)環(huán)境有害）、高能耗、短壽命等缺點(diǎn)，所以，伴隨著全球性環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在世界各國(guó)，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，綠色照明的應(yīng)

6、用將越來(lái)越普及，這些路燈將逐漸被綠色環(huán)保的光源所取代。大功率高亮度電力LED 是一種高效、節(jié)能、發(fā)光壽命長(zhǎng)的綠色環(huán)保光源，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、保護(hù)人類健康都具有重大意義。而調(diào)節(jié)高亮度電力LED 的亮度是通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)LED 的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)LED 路燈的亮度控制一般通過(guò)控制LED 驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，在高亮度LED 路燈驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的主要有“采用專用電源芯片”和“采用分立元件的開(kāi)關(guān)電源”兩種主要的技術(shù)解決

7、方案，而為了“智能化”的需要，通常在這兩種方案的基礎(chǔ)上加入單片機(jī)作為系統(tǒng)管理的主控芯片，所以這兩種解決方案可以歸結(jié)為“系統(tǒng)管理 + 電源控制”的“傳統(tǒng)多芯片技術(shù)方案”，存在使用芯片多、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，特別是當(dāng)需要在一個(gè)LED 路燈驅(qū)動(dòng)器需要驅(qū)動(dòng)多路高亮度LED 串時(shí)，這種缺點(diǎn)尤為突出。 </p><p>　　而在2009 年4 月份，賽普拉斯半導(dǎo)體公司(Cypress Semiconductor Corpor

8、ation)宣布推出了集成嵌入式功率控制器的PowerPSoC 系列產(chǎn)品，這是業(yè)界首款可同時(shí)控制和驅(qū)動(dòng)大功率LED 的單芯片解決方案，將四路恒流調(diào)節(jié)器和MOSFET 與賽普拉斯的PSoC 可編程片上系統(tǒng)集成在一起，組成一款專用的集成芯片，提高了系統(tǒng)的集成度，但同時(shí)也犧牲了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的靈活性，而當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要驅(qū)動(dòng)大于四路LED 串時(shí)，這種專用集成芯片的局限性亦將隨著驅(qū)動(dòng)路數(shù)的增加而越來(lái)越明顯。針對(duì)“傳統(tǒng)方案”中需要使用多顆芯片（主控芯

9、片加多顆電源芯片）、硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜以及現(xiàn)有專用集成單芯片技術(shù)方案不易擴(kuò)展硬件的現(xiàn)狀，本方案將系統(tǒng)管理及電源控制進(jìn)行功能整合，提出了基于Piccolo MCU 的低成本單芯片電源解決方案。 </p><p><b>　　研究?jī)?nèi)容 </b></p><p>　　新型 PiccoloTM F2802x/F2803x MCU 采用最新的架構(gòu)技術(shù)成果及增強(qiáng)型外設(shè)，其封裝尺寸最少為

10、 38 引腳，能夠在低成本的應(yīng)用中帶來(lái)32 位實(shí)時(shí)控制功能的優(yōu)勢(shì)。實(shí)時(shí)控制通過(guò)在諸如太陽(yáng)能微型逆變器、LED 照明、大型家用電器以及混合動(dòng)力車載電池等工業(yè)、消 </p><p>　　費(fèi)類及車載應(yīng)用中實(shí)施高級(jí)算法，從而可實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率與精度。 </p><p>　　Buck 型開(kāi)關(guān)電源是被廣泛應(yīng)用的電源解決方案之一，通過(guò)選擇合適的輸出電感及開(kāi)關(guān) </p><p>

11、　　頻率，便可以使系統(tǒng)工作在電感電流連續(xù)的模式； </p><p>　　基于TMS320F28027 的LED Lighting Demo 則是根據(jù)Buck 型開(kāi)關(guān)電源原理，充分利用TMS320F28027 片上PWM（多達(dá)8 路PWM 輸出）及ADC（多達(dá)16 通道ADC）等外設(shè)資源并結(jié)合相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。 </p><p>　　圖1.1 所示為系統(tǒng)的框圖，系統(tǒng)包括主控芯

12、片（TMS320F28027）、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)元件、反饋網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)存系統(tǒng)配置信息的片外存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)采集接口及系統(tǒng)擴(kuò)展接口等七個(gè)模塊。主控芯片上電復(fù)位后從片外存儲(chǔ)器中加載LED 亮度、亮滅時(shí)段、亮滅方式等參數(shù)的設(shè)定值 </p><p>　　作為控制參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些控制參數(shù)及反饋量（包括數(shù)據(jù)采集接口所采集的電網(wǎng)電壓、環(huán)境亮度、系統(tǒng)溫度等參數(shù)）的算法處理，得到PWM 信號(hào)的頻率及占空比，進(jìn)而輸出PWM 信號(hào)，PWM 信號(hào)

13、經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大后則用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)元件，使系統(tǒng)對(duì)高亮度 </p><p>　　LED 路燈進(jìn)行供電，而LED 路燈兩端的電壓大小及流過(guò)LED 路燈的電流大小則通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)饋送回主控芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制效果的校正。系統(tǒng)提供的擴(kuò)展接口，用以與其他外設(shè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以方便在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)驅(qū)動(dòng)器的功能進(jìn)行擴(kuò)展，如通過(guò)擴(kuò)展接口掛載 </p><p>　　Zigbee 或GPRS 模塊，以實(shí)

14、現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的組網(wǎng)管理及遠(yuǎn)程維護(hù)。 </p><p>　　主控芯片的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1.2 所示，主程序中主要運(yùn)行三個(gè)任務(wù)，其中任務(wù)1 主要負(fù)責(zé)擴(kuò)展接口管理，任務(wù)2 負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制參數(shù)的讀取、更新等維護(hù)工作，并將系統(tǒng)控制參數(shù)轉(zhuǎn)換為控制算法運(yùn)算所需要的參考值，任務(wù)3 負(fù)責(zé)采集電網(wǎng)電壓、環(huán)境亮度及系統(tǒng)溫度等數(shù)據(jù)；而中斷服務(wù)函數(shù)則主要用于完成實(shí)時(shí)性要求較高的“電源控制”工作，包括電源反饋量數(shù)據(jù)的采集、控制算法運(yùn)算及電源輸出控

15、制等。 </p><p>　　常用的控制算法有很多種，而比較經(jīng)典的就屬PID 算法了。在實(shí)際應(yīng)用中PID 算法的實(shí)現(xiàn)又分直接計(jì)算法和增量算法兩種，這里所謂的增量算法就是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次運(yùn)算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說(shuō)，在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加（負(fù)值意味 </p><p>　　著減少）控制量，例如對(duì)于占空比控制的調(diào)光系統(tǒng)，就是PWM 控制信號(hào)占空比還需要增大或減小的量。根

16、據(jù)具體的應(yīng)用適當(dāng)選擇采用哪一種算法，但基本的控制方法、原理是完全一樣的，直接計(jì)算法得到的是當(dāng)前需要的控制量，相鄰兩次控制的差就是增量，基于 </p><p>　　TMS320F28027 的LED Lighting Demo 系統(tǒng)采用的算法框圖如圖1.3 所示。圖1.4 所示為單芯片解決方案的應(yīng)用實(shí)例電路之一，圖中的U1 為系統(tǒng)管理及電源控制的主控芯片TMS320F28027，D1、C2、L1、Q1、R7 則組成

17、了一個(gè)簡(jiǎn)單的Buck 型開(kāi)關(guān)電源， </p><p>　　Q1 是N 溝道的開(kāi)關(guān)管，U3 是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換的邏輯緩沖器，R7、R4、R5、R6、C3、C4、A1 則組成一個(gè)電流反饋網(wǎng)絡(luò)，U2 是用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息的片外E2PROM 存儲(chǔ)器，而A2 及其外圍元件則是電網(wǎng)電壓/LED 亮度/溫度等的檢測(cè)電路。在系統(tǒng)上電復(fù)位后MCU </p><p>　　從外部存儲(chǔ)器U2 中讀取系統(tǒng)的配置信

18、息，如每路LED 的驅(qū)動(dòng)電流大小、亮滅時(shí)段、亮滅方式等，然后將這些系統(tǒng)配置信息用于LED 串的驅(qū)動(dòng)控制。Zigbee 模塊M1 通過(guò)圖3 中的擴(kuò)展接口Rx 及Tx 與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)Zigbee 模塊M1 對(duì)LED 路燈驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)管理，以及遠(yuǎn)程維護(hù)。由圖1.4 分析可知，一片帶多個(gè)PWM 模塊及ADC 模塊的主控芯片可以驅(qū)動(dòng)多路LED 串輸出（圖中只畫出一路LED 串的驅(qū)動(dòng)電路），從而可以省去多顆電源芯片，同時(shí)主控芯片還承

19、擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的管理工作，如電網(wǎng)電壓檢測(cè)、LED 亮度檢測(cè)、 </p><p>　　LED 散熱片溫度檢測(cè)以及與Zigbee 模塊M1 的通信等，可見(jiàn)，當(dāng)需要設(shè)計(jì)多路LED 串的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，采用本單芯片解決方案，可以化繁為簡(jiǎn)，更有效地解決應(yīng)用需求。 </p><p><b>　　研究有益效果 </b></p><p>　　基于TMS320F2802

20、7 的高亮度LED 驅(qū)動(dòng)單芯片解決方案，將系統(tǒng)管理及電源控制合二為一，降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，同時(shí)又兼顧了驅(qū)動(dòng)輸出路數(shù)設(shè)計(jì)的靈活性，可通過(guò)改變控制芯片外圍的存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 電流大小、亮滅時(shí)段、亮滅模式、環(huán)境亮度 </p><p>　　及系統(tǒng)溫度等控制參數(shù)的定制，還可通過(guò)MCU的數(shù)據(jù)接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)管理和遠(yuǎn)程維護(hù)。 </p><p>　　基于TMS320F28027 的高亮

21、度LED 驅(qū)動(dòng)單芯片解決方案具有以下優(yōu)勢(shì)： </p><p>　　&#61548;&#61472;低成本——單芯片解決，省去專用的恒流芯片，有效地降低了系統(tǒng)成本 </p><p>　　&#61548;&#61472;高效率——非隔離開(kāi)關(guān)電源，沒(méi)有變壓器的漏磁損耗，轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)滿載時(shí)整體效率高達(dá)95％ </p><p>　　&

22、;#61548;&#61472;驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)——8 路非隔離恒流驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)8 串（每串不少于14 個(gè)）LED，總輸出功率不低于100W </p><p>　　&#61548;&#61472;控制靈活——采用高性能DSC 作為控制核心，可充分發(fā)揮32 位實(shí)時(shí)控制功能的優(yōu)勢(shì)，每路LED 的電流大小、亮滅方式等均可獨(dú)立控制 </p><p>　　&#61548