基于数字化控制的开关电源的研究

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0 引言

开关电源被誉为高效节能型电源。传统的开关电源采用模拟控制技术，使用比较器、误差放大器和模拟调变器等元器件来调整电源输出电压。模拟控制方法只适用于频率高、电力小、功能少的开关电源，且存在控制电路复杂、元器件多以及控制电路一旦成型很难修改等缺点，不利于开关电源的集成化和小型化。开关电源的数字化控制技术能够较好地解决这些问题。本文介绍了开关电源的数字化控制技术，并给出了基于单片机控制和基于DSP控制开关电源的两种模型，分析和比较了两者的优缺点以及应用场合，现在介绍如下。

1 开关电源模拟控制和数字控制的比较

1．1开关电源模拟控制的种类与特点

开关电源的模拟控制方法已经使用了数十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3种：脉冲宽度调制方式PWM、脉冲频率调制方式PFM和昆合调制方式。

图1为脉宽调制式（PWM）开关电源，AC220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压U，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压U0。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。这种模拟控制电路因为使用元器件多而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随着使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，并对系统稳定性和响应能力造成负面影响，不利于模拟系统的测试和维修。另外，模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应。


1．2开关电源数字控制的特点与应用

所谓电源的数字控制，也称为“回路内部的处理器”，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法。它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比较器。它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息加传至系统。

数字控制电源系统有以下特点：

（1）以数字信号处理器DSP或单片机为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。

（2）采用“整合数字电源”技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。

（3）高集成度，实现了电源系统单片集成化，将大量的分立元器件整合到一个芯片或一组芯片中。

（4）能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。

这种技术可用于负载时间恒定的应用中，使电源运行在高频状态，如功率因数校正、非中断电源、多个化学电池译电和电机控制；还可用于采用若干可配置的PWM内核及控制、诊断和接口电路的手机以及PDA的PMU等其他应用。运行时间控制电路中的子电路或外设可为其电流状态提供最适宜的运行电压，以节能。数字电源控制可使调节器更加灵敏。

2 基于数字控制技术开关电源的方案

结合当前的数字控制技术和流行的电源管理模式，我们提出了以下两种方案。

2．1基于单片机控制的开关电源

随着电子技术的迅猛发展和超大规模集成电路设计的进一步提高，单片机技术也得到了迅速发展，已经在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、汽车电子、机电一体化等方面得到了广泛的应用，并取得了巨大的成果。利用单片机作为控制核心，设计方法容易掌握，而且对单片机的要求不高，成本比较低。该方案采用单片机通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制。其原理结构如图2。

　
其中：单片机采用MCS51；A／D转换器采用TLC2543芯片，该芯片的接口方式采用串口，这种方式相对于并口方式，具有接口简单，便于扩展，体积小的特点。TLC2543的接口是典型的SPI接口，它与MCS51单片机相连接时，其硬件电路非常简单。但由于MCS51没有标准的SPI接口，只能在程序中模仿SPI的操作方式对TLC2543进行操作，因而程序要复杂一些。D／A转换器采用TLC5615芯片与MCS51连接，同样接口也采用串行方式。“看门狗”（Watchdog）为单片机提供上电复位信号，当程序紊乱或电压失常时启动内部的“看门狗”电路强迫单片机复位，使程序从头开始工作；具有512字节的EPROM存储单元，用来存放各种重要数据，以备交流后重要数据丢失；外接有串口，通过电平转换连接RS-485或者RS-232，实现了开关电源与上位机的信号传输；LCD、键盘接口电路实现了人机交换。

基于单片机的数字电源这种方法，虽然控制电路比较复杂，并且存在一定的延时，对电源的动态性能和稳压精度有一定影响，但由于该方法对于单片机的要求不高，成本也比较低，设计方法容易掌握，因此可以在稳压精度和动态性能要求并不是很高的场合下使用。

2．2基于数字信号处理控制的开关电源

利用高性能的DSP数字芯片对电源实现直接控制，可以简化控制电路的设计，再加上这些芯片有比较高的采样速度（TMS320LF2407内部的10、位A／D转换器完成一次A／D转换只需500ns）和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法I。基于DSP控制的开关电源原理结构如图3。


其中：DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要进行数字PID计算；复杂可编程逻辑器件CPLD根据DSP计算的结果生成数字PWM波形控制主功率变换器，这样避免了模拟PWM控制器中的双脉冲现象和半频现象，实现了PWM控制的完全数字化；AID转换电路用作电压、电流、温度等数据的采集，芯片可采用TLC5540芯片，也可采用TLC2543芯片，通过此AID转换电路采集的电压等信号，经数据总线低八位进入DSP，与标准正弦波信号进行比较，当检测到输出电压幅度高于标准正弦波信号时，按比例降低占空比，从而实现对开关电源输出正弦波和幅度的调DSP通过接口电路还可以扩展LCD、键盘进行人机交换以及通过串口RS-485或RS一232进行数据的通信等。

这种基于信号处理数字的开关电源，虽然DSP芯片结构复杂，成本比较高，而且DSP控制技术相对较难掌握，但由于芯片具有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度，因此，这种方式将会在今后开关电源的数字控制技术中发挥重要作用。

3 结束语

开关电源采用全数字化控制技术，可以有效地缩小电源体积，降低成本，大大提高了设备的可靠性和对用户的适应性，是今后开关电源发展的一种趋势。目前，在通信领域已经得到了较好地应用。该文给出的基于数字控制技术开关电源的两种方案，适用于不同的环境，我们可以根据采样速度、运算速度和控制算法复杂度等因素选择不同的方案。

编辑：博子

李小路

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