基于DSP28335的開關電源控制策略研究

王子豪

摘要：本文研究采用具有高運算精度（32位）和強大系統處理能力的TMS320F28335芯片，通過MEP（Micro Edge Positional）技術輸出高精度的PWM波，對開關電源進行控制。系統使用脈寬調制（PWM）控制：固定開關頻率，通過改變脈沖寬度，來改變占空比。穩壓采用DSP28335控制芯片來實現，根據ADC模塊采樣得到的電壓值進行反饋，實時改變輸出PWM波形的占空比，使輸出電壓保持穩定。

關鍵詞：DSP28335 脈寬調制（PWM） 開關電源

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0022-02

1 引言

電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能的優劣直接關系到電子設備的技術指標及系統能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩壓電源分為線形電源和開關電源兩大類。其中開關電源SMPS（Switch Mode Power Supply）又被譽為高效節能電源，它代表著穩壓電源的發展方向。提高開關頻率可有效地減小開關電源的體積，這就為研究開發高效率、高密度、高可靠性、體積小、重量輕的開關電源奠定了基礎[1]。

高頻開關電源自20世紀70年代突破20kHz以來，隨著技術的進步，其產品的頻率一路飆升到500kHz～1MHz。為了保證高頻開關電源能夠正常、穩定的工作，對控制信號和驅動信號的要求都非常嚴格。本文通過TI公司TMS320F28335芯片來輸出高精度的PWM波，來滿足現代開關電源控制策略的發展需求。F28335的系統時鐘頻率高達150MHz理論上輸出高精度的波形頻率可以達到5MHz以上，通過CCS（Code Composer Studio）軟件編程使PWM波形的占空比隨采樣周期而變化。

2 DSP28335控制流程

2.1 脈寬調制（PWM）式控制

脈寬調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛的應用在風力發電、電機調速、直流供電等領域；通常開關電源組成部分，如圖1所示。

本文針對DC-DC變換模塊進行控制，主電路為boost電路如圖2所示。系統的穩壓控制方式：PWM波做為控制信號，通過驅動電路進行放大后，驅動IGBT的開通和關斷。而波形的占空比隨著負載側反饋的電壓值變化，從而完成負反饋閉環控制，達到穩壓抗擾動的效果。

2.2 F28335的模塊使用

PWM模塊來輸出控制信號的脈沖波，通過驅動電路控制主電路中的IGBT開通和關斷。使用ADC（Analog to Digital Converter）轉換單元將負載電壓的模擬量轉換成數字量，送入芯片進行內部計算。為了保證實時的效果，我們設定采樣頻率達到最高的12.5MHz。在本文中，我們僅需要用到1個PWM波形輸出和1路ADC采樣。TI公司為了方便用戶開發，已經寫好了ADC模塊和ePWM模塊的初始化函數，在主程序中使用語句“InitEPwm1Gpio（）；”“ InitAdc（）；”可直接調用，該函數確定了GPIO0和GPIO1為Pwm1工作以及ADC的輸入引腳。

ADC模塊由ePWM1 SOCA啟動，結果寄存器存放ADC轉換結果，轉換后的數字量表示為：，ADCLO一般設置為0，需要注意的是F28335的ADC采樣引腳的輸入電壓范圍是0～3v，負載電壓需要經過分壓電路，才可以接入引腳否則會損壞芯片。

2.3 PWM波形的周期和頻率計算

PWM波形的頻率是由時基周期寄存器（TBPRD）和時基計數器的計數模式（TBCTRL）共同決定的。時基計數器有多種模式，本文使用向上計數（遞增）模式，在此模式下，時基計數器從0開始向上計數，直到遞增到周期寄存器（PRD）的值后，時基寄存器會自動復位到0，重復以上動作；時基計數器的值不斷與比較寄存器（CAMPA，CAMPB）的值相比較，當時基計數器的值等于其中之一時，就會使AQ動作模塊產生輸出口置高、拉低、翻轉的動作[2]。

F28335的時鐘頻率最高是150MHz，即=6.67*s= 6.67ns，因為寄存器TBPRD的最大值為65535，所以系統也會存在輸出PWM的最低頻率，若需要頻率較低的波形，可以預先對系統時鐘進行預分頻得到頻率較低的系統時鐘[3]。PWM波形周期，和占空比的計算方式如下：

高精度脈寬調制模塊（HRPWM），當PWM的工作頻率較高時，CPU控制精度會下降，一般來說PWM頻率高于200kHz時，就應該采用HRPWM模塊來提高精度。HRPWM是基于微邊沿定位（Micro Edge Positional，MEP）技術，MEP邏輯通過對常規的PWM發生器的原始時鐘進行細分，從而可以進行更精確的邊沿定位。時間步長可達150ps的數量級，HRPWM含有軟件自診斷模式，用以檢查微邊沿定位（MEP）邏輯是否運行在最優模式[4]。

3 CCS軟件編譯程序

3.1 PID反饋控制函數

PID調節是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環控制方式。在不同的工作環境下，干擾也是一直存在的，如果干擾存在，系統的實際輸出值就會偏離期望輸出值，當出現這種偏離的時候，系統自身則會利用負反饋產生的偏差所取得的控制作用再對所產生的偏差進行消除，使系統的輸出值恢復到期望值上，所以閉環調節對于系統來說十分有存在的必要，它可以提高系統的抗干擾性能。

3.2 輸出變化占空比的PWM波形

在主程序中，程序會先判斷誤差的正負，如果誤差為負，則調用HRPWM1函數；若誤差為正則調用HRPWM2函數。函數圖像對比如圖3、圖4所示。

當誤差為負時，隨著誤差絕對值增大，占空比D增大，負載電壓上升；誤差為正時，隨著絕對值增大，占空比D減小，負載電壓下降，控制回路的負反饋達到電路穩壓效果，程序如下所示。

在本程序中時基周期寄存器工作在立即裝載模式，而比較寄存器工作在影子寄存器模式，這樣在占空比V_Duty不斷變化時，可以有效地將比較值CMPA送入寄存器中。

4 結語

由于實驗條件有限，本次實驗沒有能夠做出Boost主電路板的實物，通過3v模擬電源串聯可調電阻得到變化的電壓接入ADC輸入引腳，來代替系統采集的負載電壓。由示波器可以看到GPIO0引腳輸出了理想的波形。

隨著以IGBT為代表的全控性開關器件制造工藝的升級，耐壓性不斷地提高，并且成本也在不斷地降低，單管變換器的使用將會愈發廣泛。隨著軟開關技術的使用，在不久的將來，也許電力電子領域最可靠的電路亦是最簡單的電路。本文通過DSP28335芯片對開關電源的DC-DC模塊進行控制，設計了具體方案并列出了詳細的軟件調試源程序，對讀者進行DSP開發或者電源設計具有非常重要的參考意義，最后通過實驗對理論進行了驗證。

參考文獻

[1]張純亞，何林，章治國.開關電源技術發展綜述[J].微電子學，2016（02）：255-260.

[2]張卿杰，等.手把手教你學DSP：基于TMS320F28335[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[3]鄭雪，蒲世豪，陳常.基于DSP開關電源控制系統的設計[J].真空，2016（02）：66-72.

[4]陳健斌.智能化數字電源研究[J].數字技術與應用，2016（04）：93.

[5]徐定成.基于自學習的模糊PID參數自整定技術及其應用研究[D].重慶大學，2006.