基于dsp的反激式數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于DSP的反激式數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：開關(guān)電源具有體積小、效率高等非常多的優(yōu)越性，在微型計(jì)算機(jī)、通訊電源、家用電器等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。采用模擬控制方式的開關(guān)電源存在參數(shù)溫度漂移、抗干擾能力差、可配置性不強(qiáng)等諸多缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源的數(shù)字化研究己成為開關(guān)電源的熱點(diǎn)。 </p><p>　　本文研究與開發(fā)了一種基于

2、DSP的反激式數(shù)字開關(guān)電源，闡述了開關(guān)電源的基本原理，應(yīng)用狀態(tài)開關(guān)平均法建立其大信號模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)，詳細(xì)探討了基本參數(shù)的選取原則，如濾波電容、高頻變壓器、開關(guān)應(yīng)力、吸收電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，這是開發(fā)出滿足用戶需求且具備較高性價比產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。在硬件方面，為了保證輸出性能優(yōu)越和隔離要求，應(yīng)用高精度線性光禍設(shè)計(jì)了輸出電壓采樣電路;為了系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)了度檢測環(huán)節(jié)，防止器件過溫失效;為了調(diào)試和應(yīng)用的方便，開發(fā)了基于LCD的

3、友好人機(jī)接口。在控制策略方面，為了保證系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性，本設(shè)計(jì)采用模糊PID控制算法，在系統(tǒng)小信號模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模糊規(guī)則表，利用查表法選取參數(shù)，減小了算法的復(fù)雜度。為了克服開關(guān)干擾，設(shè)計(jì)了EMI濾波器，同時對系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)也進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 反激式開關(guān)電源 DSP 模糊PID</p><p>　　Based On the DSP

4、 Flyback Digital Switching Power Supply Design </p><p>　　Abstract :Switching power supply has the advantages of small volume, high efficiency advantages, in the micro computer, household appliances, communic

5、ation power supply and other fields have been widely applied in. Analog control mode switching power supply temperature drift, poor anti-interference ability is not strong, can be configured. With the development of micr

6、oelectronics technology, switching power supply switching power supply digital design has become a research hot spot.</p><p>　　In this paper, the research and development of a DSP based flyback digital switc

7、hing power supply, switching power supply is introduced. The basic principle, application status switch average method to build the large signal model. On this basis, combined with the design target, discussed the basic

8、principle of selecting the parameters, such as the filter capacitor, switch stress, high frequency transformer, absorbing circuit structure and parameter, which is developed to meet user needs and hav</p><p>

9、;　　Key words: Flyback switching power supply DSP Fuzzy PID </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1課題的研究背景及意義1</p><p>　　

10、1.2開關(guān)電源的發(fā)展及趨勢2</p><p>　　1.3開關(guān)電源數(shù)字化研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排3</p><p>　　2開關(guān)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)3</p><p>　　2.1開關(guān)電源概述3</p><p>　　2.1.1開關(guān)電源的基本組成3</p><

11、;p>　　2.2開關(guān)電源的模擬控制方法4</p><p>　　2.3開關(guān)電源的數(shù)字控制方法7</p><p>　　2.3.1開關(guān)電源數(shù)字控制的優(yōu)勢7</p><p>　　2.3.2開關(guān)電源數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)方式7</p><p>　　2.4開關(guān)電源的控制算法10</p><p>　　2.4.1 PID控制算

12、法11</p><p>　　2.4.2控制算法的選擇14</p><p>　　2.5 TMS320F2812簡介14</p><p>　　2.6 本章小結(jié)15</p><p>　　3基于DSP的反激式數(shù)字開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1系統(tǒng)性能指標(biāo)16</p><p&g

13、t;　　3.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.2.2輸出電壓檢測電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.2.3電流檢測電路19</p><p>　　3.2.4驅(qū)動電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.2.5溫度檢測電路20</p>

14、<p>　　3.2.6液晶顯示模塊接口21</p><p>　　3.2.7 EMI濾波器23</p><p>　　3.2.8抗干擾措施25</p><p>　　3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案27</p><p>　　3.3.2主程序設(shè)計(jì)27</p>

15、;<p>　　3.3.3 A/D中斷子程序27</p><p>　　3.3.4輔助功能模塊子程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.3.5系統(tǒng)軟件抗干擾措施29</p><p>　　3.4本章總結(jié)30</p><p><b>　　4結(jié)論與展望31</b></p><p>&l

16、t;b>　　4.1結(jié)論31</b></p><p><b>　　4.2展望31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　1緒論</b>&l

17、t;/p><p>　　1.1課題的研究背景及意義</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用，日新月異的高科技產(chǎn)品也對開關(guān)電源提出了更高的要求。開關(guān)電源的模擬控制技術(shù)也發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但無法克服其固有的缺點(diǎn):采用模擬器件導(dǎo)致器件比較多、分散性大、穩(wěn)定性較差，控制電路一旦成型很難修改，調(diào)試不方便，控制不靈活，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法等。近年來，市場對數(shù)字

18、化開關(guān)電源的需求大幅攀升。先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)不但使元器件速度更快、體積更小，而且它們還要求更低的供電電壓和更高的供電電流;與此同時，系統(tǒng)的功能不斷持續(xù)提升，而體積和平均售價則不斷下降。這些因素迫使開關(guān)電源設(shè)計(jì)者要不斷地開發(fā)出更精確、響應(yīng)速度更快、效率更高、體積更小、成本更低和上市時間更短的開關(guān)電源產(chǎn)品。</p><p>　　隨著數(shù)字控制方法、數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)的發(fā)展和數(shù)字化開關(guān)電源市場需求的驅(qū)動，數(shù)字化控制開關(guān)電

19、源在電源領(lǐng)域里的優(yōu)勢將會越來越明顯。數(shù)字開關(guān)電源技術(shù)為開關(guān)電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域注入了新的活力，同時也對開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。很多專家學(xué)者在對開關(guān)電源的主電路進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)方面取得很多的研究成果和進(jìn)展，先后推出了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來解決開關(guān)變換器中存在的問題。這些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提高了開關(guān)電源的系統(tǒng)性能，但這一方面的改進(jìn)僅限于主電路，其功能必然受到電路中各種電子元器件的限制，使得效果有限。開關(guān)變換器在數(shù)字控制方面的研究仍然面臨很

20、多問題，結(jié)合目前開關(guān)電源數(shù)字化研究面臨的問題，本文研究與開發(fā)了一種基于TMS320F2812的反激式數(shù)字開關(guān)電源。在硬件研究方面，為了保證輸出性能優(yōu)越和隔離要求，應(yīng)用高精度線性光藕設(shè)計(jì)了輸出電壓采樣電路;為了系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)了溫度檢測環(huán)節(jié)，防止器件過溫失效;同時為了調(diào)試和應(yīng)用的方便，開發(fā)了基于LCD的友好人機(jī)接口。在控制策略方面，為了保證系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性，本設(shè)計(jì)采用模糊PID控制算法，并與常規(guī)PID控制算法進(jìn)行比較。<

21、;/p><p>　　本課題的研究意義在于將DSP控制技術(shù)引入到電力電子的開關(guān)電源領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣、運(yùn)算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機(jī)接口等功能。充分發(fā)揮DSP處理器精度高、速度快等特點(diǎn)，將電力電子與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，以提高開關(guān)電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p>　　1.2開關(guān)電源的發(fā)展及趨勢</p><p>　　我國的開關(guān)電源己有幾十年的發(fā)展歷

22、史，如今已經(jīng)走到第5代。上世紀(jì)60年代初開始研制的開關(guān)電源是第一代，從線性電源剛開始走向開關(guān)電源，開關(guān)頻率很低，成本昂貴，僅用于軍事、航空航天等少數(shù)領(lǐng)域。70年代開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)電源是第二代，因效率不夠高、開關(guān)頻率低、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy而難于推廣，使之應(yīng)用受到限制。80年代初研制的屬第三代，隨著電力電子技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的大力發(fā)展，我國的許多研究所、工廠及高等院校著手研制多種型號的工作頻率在20kHz左右，輸出功率在 1000

23、W以下的無工頻降壓變壓器開關(guān)電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、電視等方面，10多年來取得了較好的效果。在這期間，各種開關(guān)電源專用芯片大量問世，這種新型節(jié)能電源才得到發(fā)展。目前，開關(guān)頻率已從20kHz左右提高到幾百千赫茲甚至兆赫茲。在90年代中期開始研制的開關(guān)電源屬第四代，歐盟要求開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要考慮來管理開關(guān)電源設(shè)備，從而提高開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠性。智能化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，使得維護(hù)人員面對的不再是復(fù)雜的器件和電路，而是一個人機(jī)表達(dá)和交流的信息

24、，大大改進(jìn)了維護(hù)管理，同時也大大簡化了電子設(shè)計(jì)工程師的工作。</p><p>　　1.3開關(guān)電源數(shù)字化研究現(xiàn)狀</p><p>　　在所有的控制功能全部使用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)之前，開關(guān)電源的數(shù)字控制器只能達(dá)到半數(shù)字化階段。對于控制器中技術(shù)難度最高的功率開關(guān)控制部分，仍存在許多技術(shù)難點(diǎn)需要解決，這己逐漸成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。早期，由于數(shù)字器件的性能、價格等因素的限制，數(shù)字控制技術(shù)在開關(guān)電源中用

25、得較少。尤其當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到100kHz至數(shù)MHz的高頻時，成本、能耗以及許多具體的技術(shù)困難限制了高頻開關(guān)電源數(shù)字控制器的市場化進(jìn)程，使得價格低廉的模擬控制器仍然主宰著消費(fèi)開關(guān)電源市場。</p><p>　　在過去的二十多年中，基于通用或?qū)Ｓ梦⑻幚砥?、?shù)字信號處理器、以及可編程邏輯器件等技術(shù)，數(shù)字控制技術(shù)在諸如電機(jī)控制、三相逆變、功率因數(shù)校正等電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中得到逐漸普及。近年來，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開

26、發(fā)出來，費(fèi)用也已降到比較合理的水平，數(shù)字控制技術(shù)才廣泛地應(yīng)用于開關(guān)電源的控制。由于數(shù)字化，使開關(guān)電源的控制部分的智能化、零件的共通化、開關(guān)電源動作狀態(tài)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測成為了可能。開關(guān)電源市場中，從質(zhì)量、交貨期等方面來看，標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電源正在成長壯大。然而，開關(guān)電源的使用方EMC(電磁兼容)，包括PFc方面的高次諧波要求，在這同時，供開關(guān)電源使用的元器件也獲得長足發(fā)展。瞬態(tài)電壓抑制器 (Tvs)、壓敏電阻器 (TL431)、電磁干擾濾波器 (E

27、MlFilter)、高導(dǎo)磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠(magneticbead)等一大批新器件、新材料正被廣泛采用。所有這些，都為開關(guān)電源推廣與普及提供了必要條件。新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù)，可使功率開關(guān)管工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高開關(guān)電源工作效率。開關(guān)電源作為節(jié)能、節(jié)材、自動化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技</p><p>　　1.4本文主要研究內(nèi)容</p>

28、<p>　　針對數(shù)字開關(guān)電源存在輸出電壓精度低和動態(tài)性能差的問題，本文開展基于DSP的反激式數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。通過高性能數(shù)字芯片TMS320F2812對開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號采樣、A/D轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作。由于輸出的數(shù)字PWM信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管，需通過一個驅(qū)動芯片進(jìn)行開關(guān)管的驅(qū)動。這樣就可以簡化控制電路的設(shè)計(jì)，同時芯片有比較高的采樣速度 (TMS320F2812內(nèi)部的12位AD轉(zhuǎn)換器完成一次AD轉(zhuǎn)

29、換只需60ns)和運(yùn)算速度，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。</p><p>　　2開關(guān)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)</p><p>　　一般而言，凡用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一種形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換器電路，轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱開關(guān)電源。本章將簡單介紹有關(guān)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ):開關(guān)電源

30、概述、開關(guān)電源的控制方法、控制算法及DSP芯片簡介。</p><p><b>　　2.1開關(guān)電源概述</b></p><p>　　2.1.1開關(guān)電源的基本組成</p><p>　　一般地，大致開關(guān)電源由輸入電路、功率變換電路、控制電路和輸出電路四個部分組成。圖2-1所示為開關(guān)電源電路的基本結(jié)構(gòu)框圖。它包括整流濾波電路、DC-DC變換器、開關(guān)占空

31、比控制器及取樣比較電路等模塊。</p><p>　　圖2-1 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　開關(guān)電源電路有其復(fù)雜的電路組成，但是主要的電路組成還是相對固定的，有輸入濾波電路、供電電路、控制電路、電壓反饋電路、電流檢測電路、功率轉(zhuǎn)換電路、誤差放大電路和輸出濾波電路等。</p><p>　　2.2開關(guān)電源的模擬控制方法</p><p&g

32、t;　　開關(guān)電源為了實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，通常采用模擬電路對其進(jìn)行控制。模擬控制有其固有的優(yōu)點(diǎn)，諸如電路成熟、應(yīng)用方便、實(shí)時性好等。所以在對開關(guān)電源要求性能不是很高的情況下得到廣泛的應(yīng)用。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:脈沖寬度控制方式PWM、脈沖頻率控制方式PFM和PWM-PFM混合控制方式。</p><p>　　(1) PWM控制</p><p>

33、;　　PWM控制是用固定時鐘頻率，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管控制信號的占空比D實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。PWM技術(shù)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)都具有較高效率，此外因?yàn)轭l率恒定噪聲頻譜相對窄，利用簡單的低通濾波技術(shù)便可得低紋波輸出電壓。因此PWM技術(shù)普遍應(yīng)用于通信技術(shù)中。PWM控制方式根據(jù)反饋采樣的不同可分為:電壓模式和電流模式。</p><p>　　下面簡單介紹PWM控制的工作原理，如圖2-8所示。(A)圖開關(guān)電源的主電路拓樸為Buck電

34、路，鋸齒波信號的頻率和幅值固定不變，將輸出電壓與參考電壓UT通過運(yùn)算放大器進(jìn)行比較、放大及反饋得到誤差電壓，然后由誤差電壓與鋸齒波電壓的比較結(jié)果產(chǎn)生PWM輸出，并用來控制開關(guān)管Tr的導(dǎo)通和截止。圖(B)中Tr的導(dǎo)通時間是鋸齒波電壓發(fā)生器的復(fù)位點(diǎn)和正向鋸齒波與誤差電壓交點(diǎn)之間的時間。如果Ue是誤差電壓與鋸齒波相交點(diǎn)的電壓，U是鋸齒波電壓的幅值，則占空比為D=Ue/U，若輸出電壓比要求的電壓低，則產(chǎn)生的誤差電壓大。由D=Ue/U和圖(B)可

35、知，導(dǎo)通的脈寬加長，輸出電壓增加，從而達(dá)到穩(wěn)定的目的。反之，當(dāng)輸出電壓比要求的電壓高，則產(chǎn)生的誤差電壓小，導(dǎo)通的脈寬變窄，導(dǎo)致輸出電壓降低，亦能達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。</p><p>　　圖2-8 PWM控制的工作原理圖</p><p>　　集成的PWM控制器主要有TL494、SG3524、SG3525A、UC3842和UC3846等。</p><p>　　(2)

36、 PFM控制</p><p>　　PFM控制是將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比的。保持開關(guān)管的導(dǎo)通時間Ton一定，而改變其截止時間Toff來穩(wěn)定輸出電壓的。在電路設(shè)計(jì)上要用固定頻率發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓、頻率轉(zhuǎn)換器(例如壓控振蕩器vco)改變頻率。具有PFM控制的開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-9所示。PFM控制的基本原理是:當(dāng)輸出電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變，而工作

37、周期變長，使占空比減小，輸出電壓降低。波形如圖2-10所示。調(diào)頻式開關(guān)電源的輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍很寬，調(diào)節(jié)方便，輸出可以不接假負(fù)載。PFM控制模式的主要缺點(diǎn)是開關(guān)周期成為負(fù)載的函數(shù)，開關(guān)轉(zhuǎn)換器顯得比較無序，并且開關(guān)噪聲無法預(yù)測，負(fù)載調(diào)整范圍窄，濾波成本高。這在無線通信領(lǐng)域就不是很合適。但是，在很多待機(jī)的情況下，選擇PFM是非常合適的。比如，便攜式移動系統(tǒng)在接收發(fā)送信號時，選擇PWM工作模式，因?yàn)镻WM開關(guān)噪聲頻譜比較好控制，在待機(jī)的情況下

38、，選擇PFM工作模式，就可以提高系統(tǒng)的效率。目前PFM控制方式在開關(guān)電源中使用己經(jīng)比較普遍，可以實(shí)現(xiàn)快速的上升時間和輸出電壓超調(diào)量的消除，具有以下優(yōu)點(diǎn):具有較小的靜態(tài)電壓，靜態(tài)功耗</p><p>　　圖2-9 PFM控制的開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖2-10 PFM控制方式波形圖</p><p>　　(3) PWM-PFM混合控制方式</p&

39、gt;<p>　　PWM控制是靠改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton。與周期T(周期不變)之比來穩(wěn)定輸出電壓的，PFM控制是保持開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton。一定，通過改變其截止時間toff來穩(wěn)定輸出電壓的。而PWM-PFM控制則是靠改變ton。和toff兩個參數(shù)(T=ton+toff也同時變化)來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。應(yīng)該說脈沖頻率控制 (PFM升脈沖寬度控制 (PWM)混合控制電路是突破傳統(tǒng)的一個近乎完美的結(jié)合。采用PFM-PWM混合控

40、制方式的開關(guān)電源，當(dāng)輸入電壓較低時執(zhí)行PWM控制模式;而輸入電壓較高時切換至PFM控制模式。</p><p>　　傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用模擬電路控制，但模擬控制存在許多固有的缺點(diǎn):</p><p>　?。?）因采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降;</p><p>　?。?）由于人工調(diào)試器件的存在，如可調(diào)電位器，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)的一致

41、性差;</p><p>　?。?）器件老化及熱漂移問題的存在，導(dǎo)致電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失敗;</p><p>　　（4）產(chǎn)品升級換代困難，對同一型號的模擬控制開關(guān)電源，若不改動硬件，升級是不可能的，每一個新型的開關(guān)電源都要求重新設(shè)計(jì)、制造控制系統(tǒng);</p><p>　　（5）模擬控制的開關(guān)電源的監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，要想恢復(fù)正常，技術(shù)人員必須親赴現(xiàn)場

42、。</p><p>　　2.3開關(guān)電源的數(shù)字控制方法</p><p>　　2.3.1開關(guān)電源數(shù)字控制的優(yōu)勢</p><p>　　數(shù)字化已成為信息社會主流的今天，電力電子的數(shù)字化控制也是勢不可當(dāng)?shù)?。隨著大規(guī)模集成電路ASIC、現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA及數(shù)字信號處理器DSP技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的控制逐漸由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，即向數(shù)字化方向發(fā)展。開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)數(shù)字化可帶

43、來以下優(yōu)勢:</p><p>　　(1)數(shù)字控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得開關(guān)電源的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自動控制的最新發(fā)展階段，繼承了人腦的定性、變結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)等思維模式，也給電力電子控制帶來了一條嶄新的思路。在高頻開關(guān)工作狀態(tài)下，開關(guān)電源的模型更加復(fù)雜化，使得模擬控制或經(jīng)典控制理論難于對其進(jìn)行精確建模和控制，采用先進(jìn)、復(fù)雜的智能控制策略，可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

44、</p><p>　　(2)控制系統(tǒng)靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法及控制參數(shù)，而不必改動硬件線路，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方案集中體現(xiàn)在控制程序上，而微處理器一般都具有豐富的片內(nèi)外資源。硬件資源配置確定后，只需要通過修改控制軟件，就可以提高原來的控制系統(tǒng)性能，或者根據(jù)不同的控制對象實(shí)時、在線更換不同的控制策略軟件。</p><p>　　(3)控制電路的元器件數(shù)量

45、明顯減少，因此縮小了控制板體積，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。</p><p>　　(4)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化。由于數(shù)字控制的高可靠性，必然使整個控制系統(tǒng)的可靠性得到提高，而且可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，只是對控制軟件作一些調(diào)整即可，這對于生產(chǎn)廠家而言，無疑有著巨大的吸引力。</p><p>　　(5)系統(tǒng)的一致性較好，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不會像模

46、擬器件那樣存在差異，所以，對于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也沒有模擬系統(tǒng)中模擬器件調(diào)試帶來的差異問題。這樣，同一型號控制板的性能一致性就會比模擬系統(tǒng)高很多。</p><p>　　2.3.2開關(guān)電源數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)方式</p><p>　　開關(guān)電源的數(shù)字控制方式是針對模擬控制存在的固有缺點(diǎn)而發(fā)展起來的，也形成了一系列的控制方式，主要有3種:單片機(jī)控制、DSP控制和FPGA控制。&l

47、t;/p><p><b>　　（1）單片機(jī)控制</b></p><p>　　以單片機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的新一代智能開關(guān)電源電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能卓越、功能全面。由于單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，利用它對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而抑制或消除各種干擾信號和模塊電路引起的誤差，提高開關(guān)電源輸出電壓和控制電流精度，因而用單片機(jī)控制開關(guān)電源是當(dāng)前智能化開關(guān)電源設(shè)計(jì)的主流。</p>

48、<p>　　以圖2-11所示的單片機(jī)控制開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖為例簡要說明單片機(jī)控制的工作原理。從圖2-11中可以看到，50Hz220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來自電網(wǎng)的干擾后，進(jìn)入到輸入整流濾波器進(jìn)行整流濾波，變換成直流電壓信號。該直流信號通過功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信號再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出到負(fù)載。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的PWM控制信號經(jīng)驅(qū)動電路處理后，驅(qū)動功率變換電路工作。利用單片機(jī)高速ADC轉(zhuǎn)換通道定時

49、采集輸出電壓、輸出電流和溫度，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓采集電路實(shí)現(xiàn)了直流輸出電壓的采集，并使其與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開關(guān)電源發(fā)生過壓、過流和短路故障時，保護(hù)電路對電源和負(fù)載起保護(hù)作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動電路等提供直流電源。</p><p>　　這種基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，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。但是控制電路由于要用多個芯片

50、，電路比較復(fù)雜;單片經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有單片機(jī)集成了PWM輸出，但開關(guān)電源往高頻化發(fā)展，一般單片機(jī)的時鐘頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率和精度反比，無法產(chǎn)生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。</p><p>　　圖2-11 單片機(jī)控制開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　?。?）基于DSP控制</p><p>　　

51、數(shù)字信號處理器(DSP)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源的控制，采取DSP作為開關(guān)電源的控制核心，可以用最少的軟硬件實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的在線控制。充分發(fā)揮DSP的高速性、實(shí)時性、可靠性等方面的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的軟件，應(yīng)用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)特定功能，輸出了質(zhì)量較好、頻率和幅值可任意改變的控制信號。以圖2-12所示的DSP控制的開關(guān)變頻電源基本控制硬件框圖為例簡要說明DSP控制的工作原理。開關(guān)變頻電源采用高頻SPWM技術(shù)和通用電壓型單相全橋逆變電路，選取IGBT

52、功率模塊作為開關(guān)器件，控制電路采用DSP全數(shù)字化設(shè)計(jì)。輸出電壓和電感電流通過采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號轉(zhuǎn)換為DSP所需要的電平，接至DSP的A/D轉(zhuǎn)換口，通過鍵盤鍵入所要求的輸出電壓值、頻率值，由SCI模塊與DSP實(shí)現(xiàn)通訊。得到逆變器當(dāng)前工作的基準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)過電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實(shí)際的正弦調(diào)制信號，與DSP定時器產(chǎn)生的三角波載波信號相交截，輸出帶有一定死區(qū)的驅(qū)動控制信號，經(jīng)驅(qū)動單元進(jìn)行隔離放大后送到IGBT。DSP可以把當(dāng)前時刻的輸出電壓、頻

53、率值送給單片機(jī)并在8位LED上顯示出來。為了保證過壓、欠壓、過流(過載)的情況下能有效地保護(hù)功率開關(guān)和負(fù)載，還設(shè)置了保護(hù)</p><p>　　圖2-12 DSP控制的開關(guān)變頻電源基本控制硬件框圖</p><p>　　與單片機(jī)控制相比，DSP控制在總線結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理能力以及指令執(zhí)行時間上，都有明顯的優(yōu)勢。它的控制過程與單片機(jī)控制過程一樣，只是運(yùn)算功能更加強(qiáng)大，解決了單片機(jī)動態(tài)響應(yīng)不足的缺點(diǎn)。

54、</p><p>　?。?）基于FPGA控制</p><p>　　FPGA具有容量大、邏輯功能強(qiáng)的特點(diǎn)，而且兼有高速、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部主要分為2個模塊，第1個模塊是由軟核CPU組成的通信管理模塊，第2個模塊是由幾個DSP塊組成，主要完成調(diào)節(jié)器的PI或PID運(yùn)算、高分辨率PWM信號的產(chǎn)生以及數(shù)字濾波等。由FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出，它能夠在產(chǎn)生數(shù)字PWM波形的同時實(shí)現(xiàn)外部通信、顯示等功能

55、，由于內(nèi)部有多個DSP塊，所以它可以采用非常復(fù)雜的算法來進(jìn)行控制和時延補(bǔ)償。用FPGA控制可以得到非常好的控制精度和動態(tài)響應(yīng)，只是在使用的時候需要外加高精度A/D轉(zhuǎn)換器。圖2-13給出了一個用FPGA控制開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖。與DSP控制相同，雖然它的性能優(yōu)越，但是價格昂貴，有時甚至一塊FPGA芯片的價格就比一臺用傳統(tǒng)模擬PWM芯片設(shè)計(jì)的開關(guān)電源高出許多。除了上述3種控制方法外，還有幾種組合控制方法。比如:單片機(jī)與CPLD的組合、DSP與

56、CPLD的組合和DSP與FPGA的組合等。</p><p>　　圖2-13 FPGA控制開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.4開關(guān)電源的控制算法</p><p>　　開關(guān)電源的數(shù)字控制，都需要一定的控制算法來實(shí)現(xiàn)其控制規(guī)律。由于數(shù)字控制規(guī)律的設(shè)計(jì)最初常借鑒模擬控制經(jīng)驗(yàn)，所以PID算法在數(shù)字控制中的應(yīng)用非常普遍，甚至占據(jù)了主導(dǎo)地位。在數(shù)字控制中，除了最常用的P

57、ID算法外，由于數(shù)字控制規(guī)律的設(shè)計(jì)非常靈活，因此還可以實(shí)現(xiàn)在模擬控制中難以實(shí)現(xiàn)的一些其它控制算法，如智能控制、仿人智能PI控制、自適應(yīng)控制、專家控制和模糊控制等，以及這些方法的相互結(jié)合而成的新控制算法。</p><p>　　2.4.1 PID控制算法</p><p>　　自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，而且可

58、以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使PID控制更加靈活。同時，使原來在模擬PID控制器中無法實(shí)現(xiàn)的控制方法在數(shù)字控制中就能得到解決。</p><p>　　（1）PID控制原理</p><p>　　PID控制是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，.常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-14所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差。其

59、控制規(guī)律為:</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式:</p><p><b>　　(2-3) </b></p><p>　　式中:KP-比例系數(shù)，Tl-積分時間常數(shù)，TD-微分時間常數(shù)</p><p>　　圖2-14 模

60、擬PID控制系統(tǒng)原理</p><p>　　PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:</p><p>　　比例環(huán)節(jié):即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，提高控制精度。</p><p>　　積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Tl，Tl越大，積分作用越弱

61、，反之則越強(qiáng)。</p><p>　　微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。</p><p>　　從頻域的角度分析PID控制器，PI控制作用如同相位滯后補(bǔ)償器，它影響低頻段，增大低頻增益以改善穩(wěn)定精度。PD控制的作用類似相位超前補(bǔ)償器，它影響高頻段，不僅增大相位超前角，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時

62、增大系統(tǒng)的帶寬，使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。</p><p>　　數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。還有一些改進(jìn)算法如積分分離法，遇限削弱積分法，不完全微分法，微分先行法和帶死區(qū)的PID控制算法等。</p><p>　?。?）位置式P

63、ID控制算法</p><p>　　按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT，代表連續(xù)時間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，得離散PID表達(dá)式:</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　位置式PID算法原理圖如圖2-15所示，其程序流程圖如圖2-16所示。</p><

64、;p>　　圖2-15 位置式PID算法控制原理圖</p><p>　　圖2-16 位置式PID控制算法流程圖</p><p>　?。?）模糊PID控制算法</p><p>　　模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，其基本概念是由美國學(xué)者查德于1965年首先提出的。模糊控制是應(yīng)用模糊集合理論的控制方法，提出一種基于規(guī)則的控制規(guī)

65、律的機(jī)理。其基本思想是基于專家經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識，總結(jié)出若干條以IF(條件)THEN(作用)形式表示的模糊控制規(guī)則，構(gòu)成描述具有不確定性復(fù)雜對象的模糊關(guān)系。模糊控制不需要建立變換器的數(shù)學(xué)模型，而直接以語言的形式表達(dá)設(shè)計(jì)人員的直覺和經(jīng)驗(yàn)，通過模糊化、模糊規(guī)則推理、去模糊化三個過程得到控制輸出量，特別適用于 DC-DC變換器這種對象參數(shù)具有不確定性的系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-17圖所示。</p><p>　　圖2-

66、17 模糊控制結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　2.4.2控制算法的選擇</p><p>　　在眾多的智能控制策略中，模糊控制策略被認(rèn)為是開關(guān)變換器中最有效最優(yōu)的。目前，各種應(yīng)用場合對電源的動態(tài)性能提出了越來越高的要求，其中輸出電壓的超調(diào)與恢復(fù)時間被認(rèn)為是最重要的指標(biāo)。通常，輸出電壓的改變是由于負(fù)載的變化或者輸入電壓的變化引起的，而輸出電壓值取決于濾波電感、濾波電容和控制策略。如果濾波電感、

67、濾波電容和開關(guān)頻率固定不變，那么不同的控制策略將會達(dá)到不同的系統(tǒng)動態(tài)性能。由于開關(guān)變換器為一個時變、非線性系統(tǒng)，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的控制方法是將其近似為一個線性系統(tǒng)，采用基于精確數(shù)學(xué)模型的PID控制算法來實(shí)現(xiàn)，這就使得系統(tǒng)的動態(tài)性能往往只能在特定的條件下才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。模糊PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要建立準(zhǔn)確的變換器數(shù)學(xué)模型，而依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，非常適合于DC-DC變換器這樣的強(qiáng)非線性系統(tǒng)。模糊控制本質(zhì)上說是自適應(yīng)的，可以保

68、證控制系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定性。綜合以上分析，同時根據(jù)控制算法必須簡捷有效的要求，本設(shè)計(jì)中采用模糊PID控制算法來完成控制回路的設(shè)計(jì)及輸出電壓動態(tài)性能的改善。</p><p>　　2.5 TMS320F2812簡介</p><p>　　DSP芯片選用德州儀器的信號處理器TMS320F2812，現(xiàn)代數(shù)字開關(guān)電源的發(fā)展趨勢為高頻化、智能化、小型化和綠色化等，如開關(guān)頻率高達(dá)50OKHz，甚至1MHZ的

69、數(shù)字式開關(guān)電源，普通的單片機(jī)是難以達(dá)到控制的需求，一般需要高性能數(shù)字信號處理器。</p><p>　　TMS320F2812芯片系統(tǒng)組成包括:CPU、片內(nèi)存儲器、中斷管理模塊、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備等。其功能特點(diǎn)如下:</p><p>　　(1) 優(yōu)化的事件管理器模塊</p><p>　　TMS320F2812包含兩個事件管理器(EV)模塊EVA和EVB，

70、每個事件管理器模塊包括通用定時器(GP)、全比較PWM單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。TMS32OF2812化化的事件管理器包括靈活的脈寬調(diào)制生成器、可編程通用定時器、無縫捕獲和解碼器接口。</p><p>　　F2812的兩個事件管理器可產(chǎn)生16路獨(dú)立的PWM信號。由3個具有可編程死區(qū)的全比較單元產(chǎn)生獨(dú)立的3對PWM信號，由通用定時器比較單元產(chǎn)生獨(dú)立的兩路PWM信號。對于每一個比較單元的輸出，死區(qū)的產(chǎn)生可單

71、獨(dú)被使用/禁止。利用雙緩沖的ACTRX寄存器，死區(qū)產(chǎn)生器的輸出狀態(tài)可以被高速配置及改變。</p><p>　　(2) 高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)</p><p>　　F2812包括兩個8路12位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200ns，具有自動排序能力。一次可執(zhí)行最多16個通道的自動轉(zhuǎn)換，可工作在8個自動轉(zhuǎn)換的雙排序工作方式或一組16個自動轉(zhuǎn)換通道的單排序工作方式，可編程為順序采樣和雙路

72、同步采樣。豐富的A/D轉(zhuǎn)換啟動模式，支持軟件啟動、事件管理器中斷啟動和外部信號啟動。其中可利用事件管理器的定時中斷來定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行實(shí)時采樣。另外，F(xiàn)2812還提供了和事件管理器EVA和EVB靈活的接口。內(nèi)建雙采樣保持電路和參考電平，可大大簡化硬件設(shè)計(jì)，為模擬控制環(huán)路的完成提供了關(guān)鍵支持。</p><p>　　(3) 快速靈活的中斷管理</p><p>　　F2812包括一個外部中

73、斷擴(kuò)展(PIE)模塊。該模塊用以管理從外設(shè)和其他外部引腳來的中斷請求，可支持高達(dá)96個獨(dú)立中斷。每個中斷由儲存在其專用RAM模塊上的矢量(可被用戶改寫)支持，這些矢量可自動被服務(wù)于該中斷CPU取用，取用矢量表和保存寄存器內(nèi)容只需8個CPU時鐘周期。初始化時中斷矢量表可以被移植并在操作過程中允許用戶更新。中斷請求的優(yōu)先級可由硬件和軟件來控制，每個中斷可在PIE模塊內(nèi)被獨(dú)立的使用/禁止。F2812還支持3個可屏蔽的外部中斷(XINTI、XI

74、NTZ、XINT13)，其中引腳XINT13和不可屏蔽外部中斷XNMI引腳復(fù)用。</p><p>　　(4) 多標(biāo)準(zhǔn)的通信接口</p><p>　　F2812有5種不同的片上標(biāo)準(zhǔn)通信接口可為主機(jī)、測試設(shè)備、顯示器和其它部件提供了簡便的通信接口。</p><p>　　兩個異步串行外設(shè)通信口(SCI):SCI即通用異步收發(fā)器(UART)支持RS232和RS485的工業(yè)標(biāo)

75、準(zhǔn)全雙工通信模式，用來與上位機(jī)的通信。</p><p>　　同步串行外設(shè)接口(SPI):SPI是高速同步串行I/O。它允許可編程長度(1至16位)的串行位流 (bit stream)以可編程的傳輸速率移入移出器件。SPI還有延時傳送功能和一個16級傳送/接口FIFO?？捎糜谕綌?shù)據(jù)通信。典型應(yīng)用包括TMS320F2812之間構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外部I/0擴(kuò)展，如顯示驅(qū)動。增強(qiáng)型控制器區(qū)域網(wǎng) (eCAN)模塊:該模塊完全

76、兼容CAN2.OB協(xié)議，可以在有干擾的環(huán)境里使用上述協(xié)議，串行與其他控制器通信，傳輸速度高達(dá)1Mb/S。eCAN模塊具有32個可以完全控制的郵箱和時間標(biāo)識特性，提供了一個可靠的串行通信接口。</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對開關(guān)電源的設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行了簡單的介紹，首先介紹了開關(guān)電源的基本組成。其次對開關(guān)電源的控制方式進(jìn)行

77、了詳細(xì)的分析研究。從開關(guān)電源的模擬控制方法和數(shù)字控制方法兩種不同的角度對開關(guān)電源的控制方法進(jìn)行分類研究，對PWM控制、PFM控制、PWM一PFM混合控制、基于單片機(jī)控制、基于DSP控制和基于FPGA控制等方法的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的說明。進(jìn)而對開關(guān)電源的控制算法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，將數(shù)字PID控制算法與模糊控制算法結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于本反激式數(shù)字開關(guān)電源設(shè)計(jì)的模糊PID控制算法。最后簡單的對DSP芯片TMS320F28

78、12進(jìn)行了簡單的介紹。</p><p>　　3基于DSP的反激式數(shù)字開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　本章介紹了基于TMS320F2812的反激式數(shù)字開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)方案，具體闡述了系統(tǒng)性能指標(biāo)、硬件方案設(shè)計(jì)、輸出電壓電流采樣檢測電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動電路、人機(jī)接口部分、EMI濾波器設(shè)計(jì)、抗干擾措施以及軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。</p><p><b>　　3.1系

79、統(tǒng)性能指標(biāo)</b></p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是把開關(guān)電源的優(yōu)良特性與DSP系統(tǒng)自動檢測和控制技術(shù)相結(jié)合，力求達(dá)到功率轉(zhuǎn)換效率高(80%以上)、發(fā)熱(損耗)小、體積小、重量輕、電壓、負(fù)載穩(wěn)定度高、保護(hù)電路完善、對電網(wǎng)電壓及頻率大范圍變化的適應(yīng)性強(qiáng)、數(shù)字顯示方式等。</p><p>　　概括起來，該反激式數(shù)字開關(guān)電源的性能指標(biāo)如下:</p><p&g

80、t;　　(l)輸入電壓:U=220(l士15%)V;</p><p>　　(2)輸入電壓頻率:f=50(1士5%)HZ;</p><p>　　(3)輸出電壓Uo=12V、額定輸出電流lo=3A;</p><p>　　(4)額定輸出功率P。=36W;</p><p>　　(5)電壓紋波士 60mV;</p><p>　　

81、(6)開關(guān)頻率100kHz。</p><p>　　3.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)分為電源主電路和控制電路兩部分，通過TMS320F2812實(shí)現(xiàn)勵磁電流，輸出電壓采樣以及閉環(huán)控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，包括EMI濾波電路、二極管整流、直流平波電路、反激式變換器主電路、控制器、信號采集、PWM驅(qū)動、鍵

82、盤和LCD人機(jī)接口。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2.2輸出電壓檢測電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在隔離開關(guān)電源的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)控制電路的安全工作和隔離，避免將輸出電路的噪聲引入控制回路，對輸出采樣電路與控制電路進(jìn)行隔離是必須的。線性光電禍合器和霍爾傳感器為常用的隔離器件。輸出信號和輸入信號成線性關(guān)系的光電禍合器為線

83、性光電禍合器。線性光電禍合器由于具有良好的性能和抗干擾能力而被廣泛應(yīng)用于輸入和輸出信號需要電氣隔離的場合。對于需要較高的線性度及較高頻帶寬度的開關(guān)電源閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，線性光禍實(shí)現(xiàn)電氣隔離是一種較佳的選擇。目前常用的高線性度光禍主要有LOC110以及NR200/201等。本文采用HCNR200型高線性度光耦對采樣電壓進(jìn)行隔離的反饋控制電路。HCNR200型線性光耦的原理如圖3-3所示。它由發(fā)光二極管LED、反饋光電二極管PDI、輸出光電

84、二極管PDZ組成。當(dāng)LED通過驅(qū)動電流壽時，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在PDI和PDZ上，反饋光電二極管吸收LED光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流:</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　該電流用來調(diào)節(jié)壽以補(bǔ)償Dl的非線性。</p><p>　　輸出光電二極管PDZ產(chǎn)生的輸出電流:</p>

85、<p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中:K1和K2為輸入輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值為0.5%，范圍為0.25%~0.75%;K3為傳輸增益，其典型值為1.0，范圍為0.85~1.15。</p><p>　　對于一只制造好的HCN

86、R200線性光耦而言，其電流傳輸比和傳輸增益都是固定的。If的峰值可達(dá)40mA，一般在1-20mA之間，因此根據(jù)輸入輸出電流傳輸比典型值0.5%可得Ipd1和Ipd2的值一般為5- 100uA。在圖3-2中，光電二極管PD1起反饋穩(wěn)定作用，測量端電壓上升，則輸入方運(yùn)放輸入負(fù)端電壓上升，結(jié)果LED電流If增大，那么電流Ipd1也跟隨增大，導(dǎo)致輸入方運(yùn)放輸入負(fù)端電壓下降，因?yàn)樨?fù)反饋的作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定在線性區(qū)。</p><

87、p>　　圖3-2 高線性度采樣電壓隔離反饋電路框圖</p><p>　　推導(dǎo)輸出電壓與測量電壓的關(guān)系，容易求得</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　故 （3-6）</p&g

88、t;<p>　　Ipd1,Ipd2取值范圍為5~100uA,考慮到TM320F2812內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓允許范圍，u0的取值應(yīng)該小于3伏，Rf=R3=30000?，R1=R2=5000?</p><p>　　3.2.3電流檢測電路</p><p>　　開關(guān)電源的電感電流檢測方法有很多，有效且經(jīng)濟(jì)的方法是電阻檢測、電流互感器檢測，因電流互感器檢測方法較復(fù)雜，故本文采用電阻檢測法，

89、直接用電阻檢測原邊電感電流，如圖3-3所示。其信號調(diào)理電路由差分放大電路和跟隨電路組成，根據(jù)額定電流等級，選用合適的采樣電阻和放大增益，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　圖3-3電流采樣電路</p><p>　　3.2.4驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　開關(guān)電源的開關(guān)頻率較高，通常選用MOSFET功率開關(guān)，MOSFET屬于電壓型器件，驅(qū)動電路相對簡單，常用的

90、有專門驅(qū)動芯片和簡易分立驅(qū)動，專門驅(qū)動芯片如 IR2110，IR211等驅(qū)動，采用了自舉技術(shù)，簡單可靠，且具備完善的保護(hù)功能。主要應(yīng)用在逆變場合，出于成本的考慮，本設(shè)計(jì)選用了一種簡單隔離的MOSFET驅(qū)動，采用了光耦TLP250實(shí)現(xiàn)隔離和功率放大功能，其電源電壓輸入范圍10~35V，輸出電流士 1.5A，開通時間0.5微妙，隔離電壓大于2500V，完全適合該應(yīng)用場合。考慮到發(fā)光二級管的額定電流為20毫安，下拉電阻選擇R=15O歐姆。其電

91、路如圖3-4所示。</p><p><b>　　圖3-4 驅(qū)動電路</b></p><p>　　3.2.5溫度檢測電路</p><p>　　為了保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)溫度需要實(shí)時監(jiān)控，本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器AD59O，檢測溫度信息，由于需要精確的參考電源，選用AD581作為參考源，溫度傳感器AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，溫

92、度和流過兩端的電流成正比，測量范圍為一55OC~1500C，適合本設(shè)計(jì)的需求。測量電路圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5溫度檢測電路</p><p><b>　　輸出電壓表達(dá)式</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　其中，vo為AD輸入電壓，vre

93、f為參考源輸出，T為溫度(AD590通過的電流）。</p><p>　　3.2.6液晶顯示模塊接口</p><p>　　本設(shè)計(jì)選擇LM19264A漢字圖形液晶顯示模塊作為顯示部分。其讀/寫時序圖分別如圖3-6和圖3-7所示。該液晶模塊的使能信號E的周期tcyc最小為1500ns，使能信號脈沖寬度PWEH、PWEL最小為7O0ns。在E為高電平時，該液晶模塊處于使能階段。DSPTMS320F

94、2812的讀、寫周期最大值為180ns，而液晶模塊的讀、寫周期即E的高電平信號最小為70Ons，DSP的讀/寫時序不能滿足該液晶模塊的要求。所以，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的外部硬件等待電路來擴(kuò)展DSP的讀/寫周期。這里，由于TMS320F2812的讀/寫周期(激活階段)的最大值為14個XTIMCLK周期，如果將XTIMCLK的頻率設(shè)置為SYSCLKOUT的1/2，則讀/寫周期的最大值為180ns。為了匹配讀寫慢速設(shè)備的要求，利用TMS320F281

95、2的XREADY信號和相關(guān)的外部讀/寫控制信號，通過CPLD芯片，來實(shí)現(xiàn)外部硬件等待電路。</p><p>　　圖3-6液晶模塊的讀時序</p><p>　　圖3-7液晶模塊的寫時序</p><p>　　DSP與液晶模塊的接口連接如圖3-8。將液晶模塊映射在DSP的XZCS6區(qū)上，由于制造商已經(jīng)裝配好了液晶顯示驅(qū)動和分壓電路，并提供了驅(qū)動電路接口，使得液晶顯示模塊和

96、微處理器的接口十分方便。該模塊共有13條信號線，RS是寄存器選擇，低電平選擇指令寄存器，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器。側(cè)W是讀/寫控制端，低電平寫顯示模塊，高電平讀顯示模塊。CSA、CSB為驅(qū)動器片選信號線，可以選擇相應(yīng)的顯示區(qū)域。E為允許輸入信號線(數(shù)據(jù)讀/寫操作允許信號)，高電平有效。DBO-DB7為數(shù)據(jù)線。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中還需注意，由于該液晶顯示模塊是SV設(shè)備，所以在連接控制線、數(shù)據(jù)線時需要加電平隔離和轉(zhuǎn)換設(shè)備，可以使用74Ivc4245

97、芯片。</p><p>　　圖3-8 DSP與液晶顯示模塊連接示意圖</p><p>　　由于DSP芯片需要通過XREADY信號來延長讀、寫周期，使之與液晶顯示模塊E的使能信號相匹配，所以設(shè)計(jì)了外部硬件等待電路。該電路是通過CPLD芯片EPM7O64S來實(shí)現(xiàn)的。在DSP系統(tǒng)中，采用CPLD芯片設(shè)計(jì)外圍接口電路主要是由于硬件設(shè)計(jì)簡單。由于CPLD具有引腳重定義功能，使得PCB板的設(shè)計(jì)要簡化得

98、多。并且，MAX7000系列CPLD功能強(qiáng)大，可以很容易實(shí)現(xiàn)地址譯碼、等待時序的插入。所以，僅僅通過一片EPM7064s，可以實(shí)現(xiàn)DSP所有的外圍接口電路以及等待時序的插入。使DSP系統(tǒng)達(dá)到小型化、集成化和高可靠性。這里，僅利用它實(shí)現(xiàn)漢字圖形液晶顯示器的部分。其中，它的輸入時鐘為TMS320F2812的輸出信號XCLKOUT。</p><p>　　3.2.7 EMI濾波器</p><p>

99、　　EMI電源濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻(5OHz、40oHz)信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。根據(jù)抑制千擾的程度，EMI電源濾波器通常分為一般性能和高性能(高階)兩種電源濾波器。圖3-9和圖3-10給出單環(huán)和雙環(huán)電源濾波器的典型電路，前者為一般性能電路，后者為高性能電路。</p><p>　　圖3-9 單級EMI濾波器</p><p>　　

100、圖3-10 多級EMI濾波器</p><p>　　(1) 電路結(jié)構(gòu)選取原則</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，EMI電源濾波器兩端阻抗通常都是處于配狀態(tài)。當(dāng)處于失配狀態(tài)時，EMI信號會在它的輸入和輸端口產(chǎn)生反射。失配越大，反射越大。我們可以利用這個反射原則，根據(jù)EMI電源濾波器將要連接的具體源和負(fù)載阻值情況，設(shè)計(jì)其電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)來獲得滿意的抑制效果。在進(jìn)行濾波器電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循下列原

101、則:當(dāng)源抗是高阻時，濾波器的輸入阻抗應(yīng)為低阻，反之亦然。當(dāng)負(fù)載阻抗是高阻時，濾波器的輸出阻抗應(yīng)為低阻，反之亦然。</p><p>　　(2) 開關(guān)電源的干擾信號特點(diǎn)</p><p>　　開關(guān)電源的干擾信號按傳導(dǎo)模式可分為共模干擾信號和差模干擾信號。根據(jù)其特點(diǎn)可粗略地劃為三個頻段:0.15-0.5MHz差模干擾為主;0.5-5MHz差模、共模干擾共存;5~30MHz共模干擾為主。在設(shè)計(jì)時如果

102、哪個頻段不達(dá)標(biāo)，可針對該頻段加強(qiáng)濾波效果。例如在0.1-0.5MHz頻段不達(dá)標(biāo)，可以加強(qiáng)差模干擾信號的抑制，增大電容Cx的值或添加差模扼流圈;如在5~30MHZ頻段不達(dá)標(biāo)，可以加強(qiáng)共模干擾信號的抑制，增大電容Cy的值或增加共模濾波的級數(shù)。在本系統(tǒng)抑制干擾信號時，重點(diǎn)還是放在共模干擾信號的抑制上。將電路圖3-9分解為共模等效電路和差模等效電路，如圖3-11所示</p><p>　?。ˋ）等效共模電路

103、 （B）等效差模電路</p><p>　　圖3-11 等效差模電路和共模電路</p><p>　　采用A參數(shù)表示濾波器網(wǎng)絡(luò)，A參數(shù)矩陣為：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　分別計(jì)算出圖3-11濾波器網(wǎng)絡(luò)的A參數(shù)，并將其帶入插入損耗的最終計(jì)算公式得出單環(huán)共

104、模插入損耗為:</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　得出差模插入損耗為：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　根據(jù)上述公式，可以得出電路參數(shù)與插入損耗的關(guān)系。在已知EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)頻段下的插入損耗值時，可以先固定其中幾個參數(shù)值，設(shè)

105、定一個參數(shù)為變量來進(jìn)行計(jì)算。通常Rs、Rl的值設(shè)為50。，共模電容Cy需滿足漏電流的要求，其值必須小于 0.01pF，差模電容Cxl一般取值在1- 5pF之間。在計(jì)算共模等效電路時，以L為自變量，在其他參數(shù)已知的條件下，可得出共模扼流圈的電感值L;同樣的，在計(jì)算差模等效電路時，以共模扼流圈的漏電感Le為自變量，在其他參數(shù)已知的條件下，可求出差模濾波時所需的漏電感量值。其中，Rs是源阻抗，RL負(fù)載阻抗，L是共模扼流圈的電感，L是共模扼流圈

106、的漏電感，Cy是對地共模電容，Cxl是差模濾波電容，Cxz取值通常是Cy的一半。在不同頻率點(diǎn)和插入損耗下計(jì)算出的電路參數(shù)值中，選取符合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)值即可。</p><p>　　3.2.8抗干擾措施</p><p>　　由于開關(guān)電源系統(tǒng)涉及強(qiáng)電和弱電，高速的MOSFET的頻繁切換，導(dǎo)致很高的dv/dt和di/di，二級管的反向恢復(fù)，在開關(guān)過渡過程引起很大的干擾，因此，主電路的布線要尤其注意

107、，務(wù)必保證電流變換快速的環(huán)路面積最小，反饋線路務(wù)必遠(yuǎn)離主電路，最好能正交布線?？刂齐娐贩栏蓴_的措施也是需要注意的問題。當(dāng)控制電路工作時，內(nèi)部的門電路將會發(fā)生“O”和“1”的變換，實(shí)際上是輸出高低電位之間的變換。在變換過程中，該門電路中的晶體管將發(fā)生導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換，會有電流從所接電源流入門電路，或從門電路流入地線，從而使電源線或地線上的電流產(chǎn)生不平衡，發(fā)生變化，這個變化的電流叫做△I噪聲電流。由于電源線和地線之間存在一定的阻抗，其電