基于DSP的PWM型开关电源的设计及工作原理分析与仿真验证

目前,开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于以电子计算机为主异的各种终端设备和通信设备中,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式.与之相应,在微电子技术发展的带动下,DSP芯片的发展日新月异,功能日益强大,性价比不断上升,开发手段不断改进,其处理速度比CPU快10～15倍,因此基于DSP芯片的开关电源可以说是天作之保,拥有着广阔的前景,可用于选进的机载电源中,也是开关电源今后的发展趋势.

1 PWM型开关电源原理

PWM型开关电源的结构框图如图1所示.

市电信号经过输入滤波和整流滤波后实现AC/DC转换,将电网交流电直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换;再经过逆变器后实现DC/AC转换,将整流后的直流电变为交流电,这是PWM型开关电源实现PWM控制的核心部分,其频率越高,体积、重量与输出功率之比越小.最后在通过输出整流与滤波,根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源.

2 PWM控制原理

开关电源控制原理图如图2所示.图中,开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关K接通时,输入电源E可通过开关K和滤波电路提供给负载RL为负载提供能量;为使负载能得到连续的能量,开关稳压电源必须要有一套储能装置,在开关接通时将一部分能力储存起来,在开关断开时,向负载释放[4].图2中,由电感L、电容C2用以储存能量,在开关断开时,储存在电感L和C2中的能量通过二极管D释放给负载,使负载得到连续而稳定的能量.因二极管D使负载电流连续不断,所以称为续流二极管.AB间的电压平均值EAB可表示为:

EAB=TON|T&mes;E (1)

式中,TON为开关每次接通的时间,T为开关通断的工作周期(即开关拉通时间TON和关断时间TOFF之和).由

式(1)可知,开关接通时间和工作周期的比例改变,AB间电压的平均值也随之改变,因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例,便能使输出电压V0维持不变.改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法为“时间比率控制”(me Rao Control,缩写为TRC)[1].这里按照TRC原理选择了开关周期T恒定,通过改变脉冲宽度TON来改变占空比,这种方式称为脉宽调制方式(PWM),用来实现对电压幅值频率的控制.

3 DSP芯片TMS320LF2407简介

TMS320系列DSP的体系结构是专为实时信号处理而设计的,该系列DSP集实时处理能力和控制外设功能于一身,为实现控制系统提供了理想的解决方案.

TMS320LF2407在TMS320 系列的基础上有以下特点[2]:

(a) 高性能10位模/数转换器(ADC)的转换时间为500ns,提供多达16路的模拟输入.

(b) 基于TMS320C2xx第洌的CPU核保证了其与TMS320系列DSP的代码兼容.

(c) 具有两个事件管理器模块EVA和EVB,每个均可提供两个16位通用定时器和八个16位的PWM通道.

(d) 高达24K的FLASH程序存储器.

(e) 可扩展外部存储器.

(f) 五个外部中断(两个驱动保护、复位和两上可屏蔽中断).

4 利用TMS320LF2407实现SPWM

4.1 SPWM控制的基本原理

所谓SPWM即PWM中脉冲宽度按正弦规律变化.由采样理论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上,其效果基本相同可知,为了在输出端得到正弦波,就需要输出一系列幅值相等而宽度不等的矩形波.采用三角载波的规则采样法,就可以得到宽度按正弦规律变化的矩形波.如图3所示,每个脉冲的中点都以相应的三角波的中点对称,在三角载波的负峰时刻TD对正弦波采样得到D点,过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点,在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率器件的通断.可见AB长度即为脉冲宽度,由图可得如下关系式:

AB=Tc(1+sinωctD)/2 (2)

根据这一关系式可知,如果一个周期内有N个矩形波,则第I个矩形波的占空比为:

4.2 利用TMS320LF2407实现SPWM控制

这里以EVB中的通用定时器3及与之相关的比较单元为例来说明实现SPWM控制的过程.

TMS320LF2407中EVB的定时器3个有三个与之相关的比较单元:比较单元4、5、6,每个比较单元都有一个相应的比较寄存器:CMPR4、CMPR5和CMPR6.每个比较单元都可单独设置成比较模式和PWM模式,设置为PWM模式时,每个比较单元有两个极性相反的PWM输出.因此利用TMS320LF2407可实现对三相桥式逆变电路的SPWM控制.在周期寄存器T3PR的值一定的情况下,通过改变比较寄存器的值就可以改变输出矩形脉冲的宽度[3].

根据式(3)所得的占空比表达式,再利用通用定时器比较单元的PWM特性,就可以很容易地实现SPWM.首先介绍一下产生PWM的寄存器设置,其步骤如下:

(1) 装载比较方式控制寄存器ACTRB.

(2) 如果使能死区,则设置和装载死区时间控制寄存器DBTCONB(如使能则可避免上下桥臂同时输出触发脉冲.)

(3) 设备和装载定时器3周期寄存器,即规定PWM波形周期.

(4) 初始化EVB的比较寄存器CMPR4、CMPR5、CMPR6.

(5) 设置和装载定时器3的控制寄存器T3CON.

(6) 更新比较寄存器的值,使输出的PWM波形占空比发生变化.

具体的程序设计方法如下:

(1) 系统初始化后根据载波频率和信号频率计算出每个周期需要输出的矩形波个数,从而确定定时器的周期,以设置频率参数及脉冲个数.

(2) 根据式(3)计算出每个矩形脉冲的占空比,用占空比乘以周期寄存器的值,从而计算出比较寄存器的值.该过程作为计算子程序,并使脉冲指针个数I加1.

(3) 在周期中断子程序中将计算所得出的比较寄存器的值送到比较寄存器,当达到一次载波周期时置相应的标志位.

(4) 主程序根据标志位来判断是否已完成一个周期的操作.如果标志位TC上已置1,则清标志位,调计算占空比子程序,然后进入等待状态;如果标志位上未置1,则直接进入等待状态.其主程序流程图如图4所示.

虽然利用单片机也能实现SPWM,但运用DSP强大的数据处理能力及其速度优热可以提高电源控制系统的精度和实时性,满足逆变电源更高的要求,为电源控制系统的全数字化提供必要的软硬件基础.其与单机的性能比较见表1.

5 仿真结果

在软件设计的基础上结合硬件,得到了在eclectonics workbench环境下经正弦调调制而未整流滤波的仿真结果,如图5、6、7所示.

由图5、图6比较可以看到,输出电压频率为40Hz,负载分别在10Ωt和10kΩ时输出的波形为很好的正弦波,频率符合要求,可见负载的变化对输出结构影响不大;由图5图7可以看到,当负载为10Ω时,输出电压频率分别在40Hz和400Hz时的输出波形变化不大,可见频率变化对输出波形影响也不大.

由仿真结果可以看到基于DSP芯片的PWM型开关电源系统具有稳定快、失真小、负载对系统影响小等特点,而且频率可在软件部分调整,这为其应用于对精度要求高的尖端电子设备提供了保障.