本文結(jié)合電力電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設計了基于DSp處理器TMS320F2812的大功率數(shù)字開關(guān)電源，實現(xiàn)數(shù)字化采樣、運算、控制輸出、系統(tǒng)監(jiān)控和人機接口等功能。該設計充分發(fā)揮DSp處理器精度高、速度快等特點，提高了開關(guān)電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1、系統(tǒng)硬件電路設計

本設計重要由輸入電網(wǎng)濾波、輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出濾波、DSp控制電路、驅(qū)動電路、電壓電流反饋電路、輔助黽源電路、人機接口電路等幾部分組成。該設計總體設計框圖如圖1所示：

其基本原理是：交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到直流電壓，該直流電壓在DC-DC變換電路內(nèi)部經(jīng)過高頻逆變、高頻變壓器隔離變換、整流等一系列變換后輸出直流電壓，最后再經(jīng)過輸出濾波電路，得到要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。

輸入電網(wǎng)濾波、輸入整流濾波、輸出濾波電路、電壓電流反饋電路、輔助電源電路等部分的設計基本和傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)相同，本文不再介紹。人機接口電路重要實現(xiàn)檢測參數(shù)的反饋以及處理器基準電壓的實現(xiàn)，在本文也不做過多的介紹。本文重要介紹DSp控制電路、DC-DC變換電路、驅(qū)動電路的設計方法。

1.1、DSp控制電路

本設計采用DSp處理器TMS320F2812為核心控制芯片。

其工作原理：輸出電壓和電感電流通過反饋網(wǎng)絡，將反饋信號轉(zhuǎn)換為DSp所要的電平，接至DSp的A/D轉(zhuǎn)換口，轉(zhuǎn)換后的信號與通過人機接口電路輸入的電壓基準信號一起經(jīng)過電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實際的正弦調(diào)制信號，該正弦調(diào)制信號與DSp按時器出現(xiàn)的三角波載波信號相交截，輸出帶有一定死區(qū)的pWM控制信號，最后經(jīng)驅(qū)動單元送到IGBT。1.2、DC-DC變換電路

全橋式變壓隔離器開關(guān)管承受最小的開關(guān)電壓和最小的開關(guān)電流，功率開關(guān)在非常安全的情況下運作。并且主變壓器只要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出，變壓器鐵芯和繞組得到最佳利用，使效率、功率密度得到提高，因此，本設計選用全橋隔離式pWM變換器。功率器件采用單管IGBT，IGBT屬于MOSFET和雙極型晶體管的復合器件，它具有MOSFET容易驅(qū)動的特點，還有雙極型晶體管電壓高、電流大的特點，非常適合應用于大功率開關(guān)電源電路。

DC-DC變換電路如圖2所示。圖中每個IGBT旁均并聯(lián)有阻容吸收回路(RC)作為緩沖器，在IGBT瞬間斷開時，緩沖器元件RC將通過供應交流通道減少功率管斷開時的集電極電壓應力。

工作原理如下：在圖2中，p1、p4和p2、p3分別構(gòu)成全橋的兩臂，p1-p4的驅(qū)動信號分別為S1-S4，這4路驅(qū)動信號來自于驅(qū)動芯片KA101。當S1和p4信號來時，p1和p4導通，電流經(jīng)過p1進入變壓器原邊，再經(jīng)p4形成回路。當S2和p3信號來時，p2和p3導通，電流經(jīng)過p2進入變壓器原邊，再經(jīng)p3形成回路，但是電壓的極性與S1驅(qū)動的相反。這樣，直流電壓經(jīng)過變換電路變換以后，得到的為一高頻變化的交流電壓，完成了從DC到AC的變換。然后這一交流電壓再經(jīng)過高頻變壓器變壓和整流濾波電路整流濾波即可得到預期的穩(wěn)定直流電壓。

由于TMS320F2812的pWM波驅(qū)動能力有限，而IGBT要求pWM波的驅(qū)動能力較強，所以在DSp和IGBT之間必須接相應的驅(qū)動電路，新增驅(qū)動功率，保證IGBT在最短時間內(nèi)開通與關(guān)斷。該驅(qū)動電路重要完成2個功能：一是將弱電控制回路與大功率強電主回路實現(xiàn)電氣隔離：二是通過驅(qū)動電路供應IGBT開關(guān)所需的電壓和電流。

本設計采用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的光耦隔離驅(qū)動芯片KA101來對IGBT進行驅(qū)動。該器件保護功能完善、工作頻率較高、用戶可調(diào)參數(shù)多、價格便宜，并能與多種其他類型的驅(qū)動器兼容。DSp出現(xiàn)的pWM信號從驅(qū)動芯片KA101的1、2引腳輸入，通過驅(qū)動芯片內(nèi)部控制變換，最終從17、18引腳輸出驅(qū)動信號接到IGBT的柵極，控制開關(guān)器件的通斷。2、數(shù)字pID算法的實現(xiàn)

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算控制量。因此，持續(xù)域pID控制算法不能直接使用，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。

本設計中，有一個預設的基準電壓，而且為了節(jié)省存儲空間所以選用增量型pID控制算法實現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據(jù)推理原理可得增量型pID算法。

由于計算機輸出增量，所以對誤動作影響小，假如必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，而且增量控制不易出現(xiàn)積分失控，容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

3、總結(jié)

本文設計了以全橋隔離式pWM變換器為核心，基于DSp的大功率數(shù)字開關(guān)電源。該設計充分發(fā)揮DSp處理器精度高、速度快等特點，提高了開關(guān)電源的輸出精度、智能度、集成度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。可以相信，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，應用速度更快、精度更高、體積更小、更加可靠、操作更靈活的DSp處理芯片將會更多的應用到數(shù)字開關(guān)電源中，數(shù)字開關(guān)電源也將在相關(guān)行業(yè)中得到越來越廣泛的應用。