基于DSP的數字開關電源設計與實現

朱亦丹，張小偉

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101）

0 引 言

隨著我國經濟社會的快速發展和工業企業的不斷進步，電力電子技術應用水平進一步增強，開關電源尤其是數字信號處理技術下的數字開關電源設計逐步得到了越來越廣泛的應用。傳統模式下的基于模擬控制技術的開關電源發展歷經多年，理論知識與實踐應用較為成熟，但由于模擬控制技術存在著自身無法克服的重要缺陷，而數字開關電源技術的出現正好彌補了該缺陷，為電力電子產業注入了全新的發展活力。因此，隨著當代社會數字化控制技術和數字控制電路結構的進一步發展，市場需求推動下的基于DSP的數字開關電源設計與應用優勢不斷顯現。在此背景下，本文探討研究了基于數字信號處理的數字開關電源的設計與應用，具備重要的理論意義和現實價值。

1 DSP相關概述

DSP是基于數字運算原理及對應處理技術下的重要信息微處理器，圖1即為數字信號處理系統。在數字信號處理過程中，模擬信號經過轉換器轉換為排序為0或1的一系列數字序列，隨后采用電路運行標準及數字濾波工具進行數字運算及數字化處理，再進一步將獲取得到的數字化運算結果與處理結果，通過數字信號處理設備自身所具備的算法架構完成數字信號到電力電子結構中控制量的轉化與生成，最后借助PWM信號或者數字模擬信號轉換器將其轉化為模擬信號或控制量。由于數字信號處理技術本身具備強大的計算能力，且整個計算過程靈活多變，能根據計算目標進行結果導向的編程運算，因此采用數字信號處理技術，能夠處理多條相關的計算數據，保證計算質量。與其他傳統模式下的模擬處理器相比，數字信號處理器在數字信號處理方面具備難以比擬的重大優勢。

圖1 數字信號處理系統邏輯示意圖

2 基于DSP的數字開關電源設計

2.1 整體電路設計

基于數字信號處理技術的數字開關電源設計整體電路主要包括輸入電網濾波、輸入整流濾波、DC-DC變換、設備輸出濾波、數字信號處理控制電路、驅動電路、電壓電流反饋電路以及人機接口電路等重要組成部分，其整體框架結構如圖2所示。在基于數字信息處理技術的數字開關電源設計過程中，交流電輸入電壓經過電網濾波與整流濾波后得到相對應的直流電壓，而該直流電壓再經過DC-DC變換電路內部各相關結構的高頻逆變和高頻變壓器隔離變換后，形成一系列相對應的輸出直流電壓值，最終經過輸出濾波電路得到終端所需的高質量高品質的直流電壓[1]。在輸入電網濾波與輸入整流濾波、輸出濾波電路甚至輔助電源電路等諸多部分的基礎設計后，基于數字信號處理的數字開關電源系統設計與傳統模式下的模擬控制技術電源電壓設計系統截然不同，而人機接口電路的存在主要是為檢測數字信息處理技術下電源開關設計后的各項參數及處理器基準電壓數值，保證相關參數信息能達到預先設計指標。

圖2 數字開關電源設計整體架構圖

2.2 DSP控制電路設計

基于數字信號處理的數字開關電源設計過程中，數字信號控制電路設計是其重要內容。在采用DSP處理器為核心控制芯片的基礎上，利用輸出電壓和電感電流在反饋網絡上的不同表現，將反饋網絡上的相應反饋信號轉化為數字信息處理技術所需的電平數據，進一步將其傳遞到數字信號處理過程中的AD轉換接口，利用轉換后的數據信號與人機接口處的電路輸入電壓值基準信號進行對比，在所有數據信號經過電壓電流調制后獲得相對應的正弦調制信號數據[2]。經過正弦調制后的數據信號與數字信號處理器定時產生的三角波載波數據信號相交，輸出帶有一定參數值的脈沖寬度調制模擬控制信號，最后借助數字信息處理系統中的驅動單元，將控制信號傳輸到絕緣柵雙極型晶體管，完成整個數字信號處理過程。

2.3 DC/DC變換電路設計

由于全橋式變壓隔離器開關管能在承受最小化開關電壓和最小化開關電流的基礎上，保證整個電路系統中的功率開關處于非常安全的運行狀況，且整個電路主變壓器只需一個原邊繞組，即可借助其正反方向的改變變換整個電路的電壓，得到相對應的正反向磁通變量。副邊繞組則采用全橋全波整流方式輸出，變壓器鐵芯和繞組能夠得到最大限度的利用，電流功率的利用效率和利用密度能得到最大限度提升[3]。因此，在基于數字信號處理的數字開關電源設計與功能實現過程中，采用全橋隔離使PWM變換器借助絕緣柵雙極型晶體單管容易驅動，并具有管路電壓高以及電流值大等諸多優勢，將其利用于大功率開關電源電路的設計過程，整個DC/DC變換電路設計如圖3所示[4]。

圖3 DC/DC變換電路設計圖

由圖3可知，數字化電源開關設計系統中的任意一個絕緣柵雙極型晶體單管旁均配備有一定參數值的阻容吸收回路。在絕緣柵雙極型晶體單管電路電壓或者電流過大瞬間斷開時，緩沖器元件能通過提供交流通道減少數字信息處理技術下功率管斷開時的集電極電壓應力的增加幅度，確保整個變換電路處于正常運行狀態。

2.4 驅動電路設計

在基于數字信號處理技術的數字開關電源設計過程中，由于常規PWM波驅動電路能力有限，而絕緣柵雙極型晶體管要求PWM波的驅動能力在一定限值以上，因此在數字信號處理器和絕緣柵雙極型晶體管之間必須配備相對應的驅動電路，以增強整個電路回路的正常運行能力，保證絕緣柵雙極型晶體管能夠在最短時間內開通或關閉整個電路[5]。在此過程中，驅動電路主要完成弱電控制回路與大功率強電主回路之間的電氣隔離及通過驅動電路提供絕緣柵雙極型晶體管開關所需電壓和電流兩大功能。在此背景下，本文采用保護功能完善、工作頻率穩定卻頻率值較高、外在可調節參數較多、價格低廉且能與其他各種類型驅動器兼容的光耦隔離驅動芯片，典型光耦內部電路如圖4所示。利用數字信息處理技術產生的PWM信號，從驅動芯片引腳輸入處開始，通過驅動芯片的內部控制與轉換，使其從引腳輸出，與驅動信號連接，從而控制整個電路開關器件的聯通與關閉。

圖4 典型光耦內部電路圖

2.5 數字PID控制算法

數字PID控制算法是實行采樣控制的重要技術理論，能根據采樣時刻的瞬時偏差值計算整個電路的實際控制量，圖5即為控制過程示意圖。在基于數字信號處理的數字開關電源設計與功能實現過程中，利用連續的數字PID控制算法并不適用，而需將連續型PID控制算法采用離散化方法處理，使其呈現離散化狀態。在數字PID控制算法應用過程中，又可進一步將其分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，部分專家學者甚至進一步改進數字PID算法，將其分為積分分流法、遇限削弱積分法以及不完全積分法等諸多類別[6]。在本文基于數字信號處理的數字開關電源設計與功能實現過程中，主要采用微分先行的PID控制算法和帶死區的PID控制算法，在預設某一基準電壓值的基礎上，根據基礎推理原理得到增量型PID算法，能夠有效節省整個數字開關電源設計系統存儲空間，保證系統功能快速實現。但在此過程中，由于計算機輸出增量有限且對誤差動作影響較小，因此必要時可采取邏輯判斷方法，去掉計算機輸出增量，避免計算機增量控制難度過大而造成的積分失控，使整個電路系統獲得更優良的調節品質。

圖5 控制過程示意圖

3 應用案例與實現

為進一步探討基于數字信息處理技術的數字開關電源設計與功能實現，本文利用DSP芯片為著重研究對象，探討DSP對數字開關電源的控制作用，重點分析DSP芯片的構成及其應用兩大部分，圖6即為待研究案例中的電源設計框架圖[7]。

圖6 待研究電源設計框架圖

就數字信息處理芯片的構成而言，在數字電源開關實踐應用過程中，DSP芯片主要應用于處理電源信號，整體結構相對復雜，由數字轉換器完成時間轉換，往往保持500 ns的高效率轉換模式，同時數字開關電源中的16路信號必須同時運行[8]。也就是說，DSP芯片構成的核心處理器中，必須保持與DSP芯片同樣的代碼兼容特性。此外，DSP芯片構成還應進一步包含定時器、存儲器以及管理器等諸多結構，利用數字信息處理技術高效控制數字開關電源的斷開與接通，體現數字信息處理技術的重要功能。

數字信息處理技術在數字開關電源設計中的應用結構原理如圖7所示，利用具備編程功能的CPD設備，根據數字開關電源設計中的數字芯片計算結果，得出相對應的波形控制要求，再進一步借助PWM直接控制整個數字開關電源設計電路系統，使整個電源系統進入數字化控制狀態，最終結合數字開關電源設計中各項硬件設備與軟件結構，精確控制數字開關電源的連通與關閉過程，避免數字開關信號錯誤引起的誤差[9]。在此過程中，數字信號處理部分作為數字化電源開關系統正常運行的基本軟件支撐和運行中心，是直接連接接口電路、PWM脈沖信號及數據處理中心等重要設備的中介橋梁，引導著數字化開關電源系統的整個正常運行過程，也是DSP芯片展示其監督管理作用的直接體現，能夠準確處理數字化電源開關系統運行過程中出現的數字信號與開關電源信號的對接問題，實現電路系統的數字化運行與管理，規避常規模擬狀態下的電源運行風險[10]。

圖7 數字信息處理技術運行原理

4 結 論

基于數字信息處理技術的數字開關電源設計，不僅具備數字化、智能化以及自動化的優勢，更能夠有效保障電源開關的準確控制，實現電源快速聯通與斷開的功能。同時，數字開關電源在數字信息技術的高效率支撐下，直接拓寬了原有功能應用范圍，能夠處理各類型更加復雜的工業生產開關問題，能夠有效控制電源的整體運行，優化數字開關電源流程與運營流程，降低日常運營成本。