基于數(shù)字化控制的開關電源的研究

　0 引言

　　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變器等元器件來調整電源輸出電壓。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：脈沖寬度調制方式PWM、脈沖頻率調制方式PFM和昆合調制方式。

　　圖1為脈寬調制式（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：

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

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算和調節(jié)，再把結果通過D／A轉換后傳到PWM芯片中，實現(xiàn)單片機對開關電源的間接控制。其原理結構如圖2。

　　其中：單片機采用MCS51；A／D轉換器采用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轉換器采用TLC5615芯片與MCS51連接，同樣接口也采用串行方式。“看門狗”（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內部的10、位A／D轉換器完成一次A／D轉換只需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。