基于DSP的数字开关电源研究与实现

基于DSP的数字开关电源研究与实现

刘禹延

（浙江大学浙江省杭州市310007）

摘要：开关电源具有体积小、重量轻和效率高等有点，被广泛应用到各个领域里。随着数字技术的不断发展，将数字技术应用到开关电源的研究实现中，可进一步提高电源的开关性能。本文首先简要介绍了DSP技术，进一步地研究了基于DSP数字开关电源的整体系统结构，最后细致深入地分析研究了基于DSP数字开关电源的硬件系统和软件系统，以期对今后基于DSP数字开关电源发展研究提供建议和参考。

关键词：DSP；数字控制；开关电源

1引言

随着现代电力电子技术的应用和发展，数字开关电源得以广泛利用。开关电源集体积小、重量轻和效率高等优点与一身，被广泛应用于电子计算机、家用电器、交通设施、通信和工业设备等领域。随着数字技术的发展，DSP芯片技术以数字处理方式对电源进行控制、可以得到稳定的输出电压和电流。与传统的开关电源相比较，数字系统具有设计周期短，易实现模块化管理，大大减少模拟元件引起的不稳定和电磁干扰等优点，具有很强的适应性和灵活性，因此数字控制在开关电源中得到迅速发展及应用。鉴于此，基于DSP的数字开关电源研究与实现简化了控制电路，减少功耗，提高了控制灵活性和设备的可靠性，是一个十分具有研究意义和应用价值的课题。

2DSP简要介绍

DSP是数字信号处理器的简称，是一种依靠数字运算处理信息的独特微处理器，目前，它已经广泛应用到了信息与通信工程，电路与系统，集成电路工程，生物医学工程，物理电子学，导航、制导与控制，电磁场与微波技术，水声工程，电气工程，动力工程，航空工程，环境工程等现代自然科学和社会科学领域。

DSP的工作原理是：它接受模拟信号后再将其转换成“0”和“1”的数字序列，再对其进行修改、删除、强化等数学运算处理并在其他系统芯片中结合相应的控制算法把数字数据解译回模拟数据或实际环境所需要的格式。DSP的可编程性灵活、计算能力强，具有强大数据处理能力和高运行速度，最高可执行数十亿条各种类型的计算指令，其执行能力远远强于其它处理器。

3基于DSP数字开关电源的整体系统结构

基于DSP的数字开关电源系统是一个综合性很强的系统，它由

硬件系统和软件系统组成，可分为电源主电路及控制电路。主电路由交流输入EMI防电磁干扰电源滤波器、整流滤波、高频变换器和高频整流滤波输出四部分组成，控制电路的作用注意是实现信号处理、闭环控制、故障保护等，通过调节主电路中开关器件的导通占空比来控制主电路输出。系统整体结构图如下图1所示：

4基于DSP的数字开关电源硬件系统模块研究与实现

基于DSP的数字开关电源的硬件系统由EMC模块、PFC模块、DC-DC模块、控制器模块、驱动电路五个部分组成，每个模块的具体作用及实现方式如下：

4.1EMC模块

EMC模块的主要作用是消除200V市电的共模和差模的干扰，降低开关管引发的高频干扰进入市电，进而降低高频干扰对市电的影响。整流电路负责将交流电转化为直流电。热敏电阻、差模电容、共模电容、工模变压器、整流桥是组成EMC的几个主要部分，热敏电阻属于保护装置热敏，用来降低启启动时产生的冲击电流，防止插座出现打火现象，保护电源和插座安全，避免引发火灾或其它危害；差模电容和共模电容需根据实际需求进行设计；共模变压器的功能是消除共模和差模干扰；整流桥的作用为将交流电转变成脉动直流电，再输入PFC电路。

4.2PFC模块

PFC模块的主要作用是提高电源的功率因子，减少无功功率，其主要由电感、MOS管、三个二极管组成，在数字开关电源的设计中要选择恢复能力较快的二极管和内阻教小的MOS管，电感需依据最大情况的磁化强度选择。

4.3DC-DC模块

DC-DC模块的作用是将不同的电压转化处理为适宜的电压，再输出电压。一般而言，开关电源的输入电源远远高于安全电压，因而应设计为隔离电源，隔离输出直流低电压和输入高电压。隔离电源的设计结构主要有单端反激和正激、半桥式和全桥式、双端正激式隔离电源扑拓结构，在实际设计中应依据需要选择合适的电源拓扑结构。

4.4A/D转化器控制器模块

A/D转化器控制器模块主要的用于电压和电流采样工作。其一，可以监控直流电压稳定输出情况，并实时反馈电压输出情况；其二，可以反馈电源实施运行状态，采取智能控制措施。

4.5PWM模块

PWM驱动电路模块主要是将MOSFET转换成所需的电压，同时提MOSFET的驱动力。基于DSP的数字开关电源硬件系统所需的PWM信号只有两路互补PWM信号，一路同步整流电路，另一路是DC/DC开关管。

5数字开关电源软件系统模块研究与实现

数字开关电源软件系统模块的研究和实现主要是以计算机语言为基础，分别对主程序、ADC中断程序和算法控制子程序进行研究及实现，具体如下图2所示：

5.1主程序研究

控制程序丰要集中在中断程序中，主程序的功能则是负责系统初始化、开中断和等待AD中断的到来。初始化过程主要包含A／D、PWM等初始化设定。

5.2ADC中断程序研究

主控制程序主要集中在AD中断程序中，AD中断程序丰要完成了读取输出电压数据、自校正控制子程序以及输出PWM信号。

5.3算法控制子程序研究

PID控制子程序在在ADC中断中调用执行，其主要工作程序是，首先通过采样得到的输出电压，递推计算得到输出控制量，通过模型中的方程语句实现在线调整PWM波占空比。

5.4软件系统抗干扰研究

数字开关电源在实际应用的时候，由于恶劣的自然环境和人为操作不当等原因会破坏开完的稳定性，阻碍系统的正常运行。为保证系统更加稳定、高效的运行，优化系统的软件设置，可以大大地降低干扰对系统的破坏。

主要抗干扰措施有：第一，在计算机程序编写过程中对一些关键性的语句进行重复编写，增强软件系统的抗干扰能力；第二，设计软件陷阱程序，可以通过编写软件陷阱程序，拦截乱飞的程序，将其强行引到一个设定位置，并在那里编写程序运行出错的处理程序，把程序拉回正轨；第三，编写“看门狗”程序，“看门狗”可以时刻监视系统内部程序运行状况，一旦DSP由于受到干扰导致程序跑飞或锁死时，“看门狗”可以使DSP复位。

6结束语

随着数字技术的发展，DSP芯片技术以数字处理方式应用到电源开关的设计中是大势所趋，基于DSP的数字开关电源系统具有设计周期短，易实现模块化管理的优点，提高了控制设备的适应性和灵活。同时，基于DSP的数字开关电源具备数据处理能力大、数据处理速度快、控制能力强且可以实现实时控制，这些都是其他技术无法比拟的，因此，基于DSP的数字开关电源研究和实现可以为数字开关电源的发展提供新的思路，具有很强的现实意义及应用意义。

参考文献：

[1]胡庆波，阳岳丰，周利强等.全数字双向DC-DC变换器中电流断续控制的研究[J].电力电子技术，2006，40（2）．

[2]张南山.基于DSP的人功率数字电源产品化研究[J].电源技术应用，2008（2）.

[3]王新喆．基于DSP的数字恒流电源系统研究[D]．大连：人连理工大学硕士学位论文，2009．.

[4]SahuB，Rineon-MoraGA．Anaccurate，lowvoltagetage，CMOSswitchingpowersupplywithadaptive-ontimepulse-frequencymodulation（PFM）control[J]．IEEE．TransactionsOnCireuitsandSystemI：RegulDrPapers，February2007，54（2）.

[5]ZhangJ，ZouYP，ZhangYR，eta1．DSPimplementationofdigital1ycontrolledSMPS[J]．Proceedingsofthe33rdAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectroniCSSociety，2007.

[6]王亚刚，许晓鸣，邵惠鹤.基于Ziegler-Nichols频率响应方法的自适应PID控制[J].控制工程，2012（4）.

[7]胡时高，虎恩典，丁晓军，刘勇.基于DSP控制的数字开关电源设计[J].制造业自动化，2014（11）.