以TMs320LF2407A为控制核心，介绍了一种基于DSP的大功率开关电源的设计方案。该电源采用半桥式逆变电路拓扑结构，应用脉宽调制和软件PID调节技术实现了电压的稳定输出。最后，给出了试验结果。试验表明，该电源具有良好的性能，完全满足技术规定要求。
引 言:
信息时代离不开电子设备，随着电子技术的高速发展，电子设备的种类与日俱增，与人们的工作、生活的关系也日益密切。任何电子设备又都离不开可靠的供电电源，它们对电源供电质量的要求也越来越高。
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电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。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，因此基于DSP芯片的开关电源拥有着广阔的前景，也是开关电源今后的发展趋势。
1 .电源的总体方案
本文所设计的开关电源的基本组成原理框图如图1所示，主要由功率主电路、DSP控制回路以及其它辅助电路组成。
开关电源的主要优点在“高频”上。通常滤波电感、电容和变压器在电源装置的体积和重量中占很大比例。从“电路”和“电机学”的有关知识可知，提高开关频率可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效地降低电源装置的体积和重量。以带有铁芯的变压器为例，分析如下：
图1 系统组成框图
设铁芯中的磁通按正弦规律变化，即φ= φMsinωt，则：
式中，EM= ωWφ M=2πfWφM，在正弦情况下，EM=&raDIC;2E，φM=BMS，故：
式中，f为铁芯电路的电源频率;W 为铁芯电路线圈匝数;BM为铁芯的磁感应强度;S为铁芯线圈截面积。
从公式可以看出电源频率越高，铁芯截面积可以设计得越小，如果能把频率从50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍，则变压器所需截面积可以缩小一千倍，这样可以大大减小电源的体积。
综合电源的体积、开关损耗以及系统抗干扰能力等多方面因素的考虑，本开关电源的开关频率设定为30 kHZ。
2 系统的硬件设计
2.1 功率主电路
本电源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”变换的结构，主要由输入电网EMI滤波器、输人整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路等几部分组成，如图2所示。
图2 功率主电路原理图
其基本工作原理是：交流输入电压经EMI滤波、整流滤波后得到直流电压，通过高频逆变器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将高频变压器输出的高频交流电压整流滤波后得到所需要的高质量、高品质的直流电压。如图3所示为交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节电压波形变换流程。
图3 功军主回路的电压波形变化
本开关电源采用半桥式功率逆变电路。如图2所示，输入市电经EMI滤波器滤波，大大减少了交流电源输入的电磁干扰，并同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。再经过桥式整流电路、滤波电路变成直流电压加在P、N两点问。P、N之间接人一个小容量、高耐压的无感电容，起到高频滤波的作用。半桥式功率变换电路与全桥式功率变换电路类似，只是其中两个功率开关器件改由两个容量相等的电容CA1和CA2代替。在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程度，CA1和CA2往往采用的是由多个等值电容并联组成的电容组。C A1、CA2 的容量选值应在电源体积和重量允许的条件下尽可能的大，以减小输出电压的纹波系数和低频振荡。CA1 和CA2 在这里同时起到了静态时分压的作用，使Ua =Uin/2。
在本电源的设计中，采用IGBT来作为功率开关器件。它既具有MOSFET的通断速度快、输入阻抗高、驱动电路简单及驱动功率小等优点，又具有GTR的容量大和阻断电压高的优点。
在IGBT的集射极间并接RC吸收网络，降低开关应力，减小IGBT关断产生的尖峰电压;并联二极管DQ实现续流的作用。二次整流采用全波整流电路，通过后续的LC滤波电路，消除高频纹波，减小输出直流电压的低频振荡。LC滤波电路中的电容由多个高耐压、大容量的电容并联组成，以提高电源的可靠性，使输出直流电压更加平稳。
2.2 控制电路
控制电路部分实际上是一个实时检测和控制系统，包括对开关电源输出端电压、电流和IGBT温度的检测，对收集信息的分析和运算处理，对电源工作参数的设置和显示等。其控制过程主要是通过采集开关电源的相关参数，送入DSP芯片进行预定的分析和计算，得出相应的控制数据，通过改变输出PWM波的占空比，送到逆变桥开关器件的控制端，从而控制输出电压和电流。
控制电路主要包括DSP控制器最小系统、驱动电路、辅助电源电路、采样电路和保护电路。
(1)DSP控制器最小系统
DSP控制器是其中控制电路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片，它是美国TEXAS INSTU—MENTS(TI)公司的最新成员。TMS30LF2407A基于C2xLP内核，和以前C2xx系列成员相比，该芯片具有处理性能更好(30MIPS)、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品，特别适用于电机以及逆变器的控制。DSP控制器最小系统包括时钟电路、复位电路以及键盘显示电路。时钟电路通过15 MHz的外接晶振提供;复位电路直接通过开关按键复位;由4×4的矩阵式键盘和SPRT12864M LCD构成了电源系统的人机交换界面。
(2)驱动放大电路
IGBT的驱动电路采用脉冲变压器和TC4422组成，其电路原理图如图4所示：
图4 IGBT驱动电路原理图
由于TMS320LF2407A的驱动功率较小，不能胜任驱动开关管稳定工作的要求，因此需要加上驱动放大电路，以增大驱动电流功率，提高电源系统的可靠性。如图4所示，采用两片TCA422组成驱动放大电路。
TC4421/4422是MICroChip公司生产的9A高速MOsFET/IGBT驱动器，其中TC4421是反向输出，TC4422是同向输出，输出级均为图腾柱结构。
TC4421/4422具有以下特点：
①输出峰值电流大：9 A;
② 电源范围宽：4.5 V～18 V;
③连续输出电流大：最大2 A;
④快速的上升时间和下降时间：30 ns(负载4700pF)，180 ns(负载47000 pF);
⑤传输延迟时间短：30 ns(典型);
⑥供电电流小：逻辑“1”输入～200μA(典型)，逻辑“0”输入～55 μA(典型);
⑦输出阻抗低：1.4 Ω(典型);
⑧闭锁保护：可承受1.5 A的输出反向电流;
⑨输入端可承受高达5 V的反向电压;
⑩能够由TTL或CMOS电平(3 V～18 V)直接驱动，并且输人端采用有300 mV滞回的施密特触发电路。
当TMS320LF2407A输出的PWM1为高电平，PWM2为低电平时，经过TCA422驱动放大后输出，在脉冲变压器一次侧所流过的电流从PWMA流向PWMB，如图4中箭头所示，电压方向为上正下负。
根据变压器的同名端和接线方式，则开关管Q1的栅极电压为正，Q2的栅极电压为负。因此，此时是驱动QM1导通。反之若是PWM1为高电平，PWM2为低电平时，则是驱动Q2导通。四只二极管DQ1 ～DQ2的作用是消除反电动势对TCA422的影响。
(3)辅助电源电路
本开关电源电路设计过程中所需要的几路工作电源如下：
① TMS320LF2407 DSP所需电源：I/O 电源(3.3 V)，PLL(PHSAELOCKED LOOP)电源(3.3 V)，FIASH编程电压(5 V)，模拟电路电源电压(3.3 V);②TCA422芯片所需电源：电源端电压范围4.5～18 V(选择15 V);③采样电路中所用运算放大器的工作电源为15 V。
因此，整个控制电路需要提供15 V、5 V和3.3 V三种制式的电压。设计中选用深圳安时捷公司的HAw 5-220524 AC/DC模块将220 V、50 Hz的交流电转换成24 V直流电，然后采用三端稳压器7815和7805获得15 V和5 V的电压。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通过TPS7333QD电压芯片得到。
本文关键字：开关电源 DSP/FPGA技术，单片机-工控设备 - DSP/FPGA技术
