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【我的毕设作品】+DSP开关电源
阅读: 1890 |  回复: 3 楼层直达

2019/07/18 09:01:36
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yongwen11
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LV1
士兵

QQ截图20160321155901 内容精选】管理员精心选择的优质内容 快来讨论吧


  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。

第一章 DSP综述

数字信号处理(DSP)是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。DSP技术已经在通信、网络、控制等诸多领域得到广泛的应用。文中阐述了DSP的基本原理,DSP的特点,DSP系统构成,DSP芯片的发展现状和趋势。

随着计算机和信息技术的飞速发展,信息社会已经进入数字化时代,DSP技术已经成为数字化社会最重要的技术之一。DSP可以代表数字信号处理技术,也可以代表数字信号处理器,其实两者是不可分割的。前者是理论和计算方法上的技术,后者是指实现这些技术的的通用或专用可编程微处理器芯片。随着DSP芯片的快速发展,DSP这一英文缩写已被大家公认为数字信号处理器的代名词。

数字信号处理是以众多学科为理论基础的,它所涉及的范围极其广泛。例如,在数学领域,微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具,与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科,如人工智能、模式识别、神经网络等,都与数字信号处理密不可分。  数字信号处理包括两个方面的内容:

1.1 算法的研究:算法的研究是指如何以最小的运算量和存储空间来完成指定的任务。如20世纪60年代出现的快速傅里叶变换,使数字信号处理技术发生了革命性的的变换。到现今,数字信号处理的理论和方法得到快速发展,如:语音与图像的压缩编码、识别与鉴别,信号的调制与解调、加密和解密,信道的辨识和与均衡,智能天线,频谱分析等各种快速算法都成为研究的热点,并取得长足的进步,为各种实时处理的的应用提供了算法基础。 

1.2 数字信号处理的实现:数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合的方法来实现各种算法。

第二章 电源的总体方案设计

  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:

1.开关电源基本原理

设铁芯中的磁通按正弦规律变化,则

          

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第三章 系统的硬件设计3.1 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。

2.功率主电路原理图

3.功率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PN两点问。PN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C1C2代替。在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程度,C1C2往往采用的是由多个等值电容并联组成的电容组。C1C2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。C1C2在这里同时起到了静态时分压的作用,使Ua=Uin2

  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。

3.2 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。

3.2.1 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:

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。

  TC44214422Microchip公司生产的9A高速MOSFETIGBT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。

  TC44214422具有以下特点:

  输出峰值电流大:9 A

   电源范围宽:4.5 V18 V

  连续输出电流大:最大2 A

  快速的上升时间和下降时间:30 ns(负载4700pF),180 ns(负载47000 pF);

  传输延迟时间短:30 ns(典型);

  供电电流小:逻辑“1”输入~200μA(典型),逻辑“0”输入~55 μA(典型);

  输出阻抗低:1.4 Ω(典型);

  闭锁保护:可承受1.5 A的输出反向电流;

  输入端可承受高达5 V的反向电压;

  能够由TTLCMOS电平(3 V18 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。

3.2.2 采样电路

  电压采样电路由三端稳压器TL431和光电耦合器PC817之问的配合来构成。电路设计如图5所示,TL431PC817一次侧的LED串联,TL431阴极流过的电流就是LED的电流。输出电压Ud经分压网络后到参考电压URTL431中的2.5 V基准电压Uref进行比较,在阴极上形成误差电压,使LED的工作电流 If发生变化,再通过光耦将变化的电流信号转换为电压信号送人LF2407AADCIN00引脚。

5.电压采样电路原理图

    由于TMS320LF2407A的工作电压为3.3 V,因此输入DSP的模拟信号也不能超过3.3 V。为防止输入信号电压过高造成AD输入通道的硬件损坏,我们对每一路AD通道设计了保护电路,如图5所示,Cu2Cu3 起滤波作用,可以将系统不需要的高频和低频噪声滤除掉,提高系统信号处理的精度和稳定性。

  另外,采用稳压管限制输入电压幅值,同时输入电压通过二极管与3.3 V电源相连,以吸收瞬间的电压尖峰。

  当电压超过3.3V时,二极管导通,电压尖峰的能量被与电源并联的众多滤波电容和去耦电容吸收。并联电阻Ru4的目的是给TL431提供偏置电流,保证TL431至少有1 mA的电流流过。Cu1 Ru3作为反馈网络的补偿元件,用以优化系统的频率特性。

  电流采样的原理与电压采样类似,只是在电路中要通过电流传感器将电流信号转换为电压信号,然后再进行采集。

第四章 系统的软件实现

为了构建DSP控制器软件框架,使程序易于编写、查错、测试、维护、修改、更新和扩充,在软件设计中采用了模块化设计,将整个软件划分为初始化模块、ADC信号采集模块、PID运算处理模块、PWM波生成模块、液晶显示模块以及按键扫描模块。各模块间的流程如图5所示。

6.功能模块流程图

4.1 初始化模块

系统初始化子程序是系统上电后首先执行的一段代码,其功能是保证主程序能够按照预定的方式正确执行。系统的初始化包括所有DSP的基本输入输出单元的初始设置、LCD初始化和外扩单元的检

4.2  ADC采样模块

7.程序流程图

TMS320LF2407A芯片内部集成了10位精度的带内置采样/保持的模数转换模块(ADC)。根据系统的技术要求,10ADC的精度可以满足电压的分辨率、电流的分辨率的控制要求,因此本设计直接利用DSP芯片内部集成的ADC就可满足控制精度。另外,该10ADC是高速ADC,最小转换时间可达到500 ns,也满足控制对采样周期要求。

ADC采样模块首先对ADC进行初始化,确定ADC通道的级联方式,采样时间窗口预定标,转换时钟预定标等。然后启动ADC采样,定义三个数组依次存放电压、电流和温度的采样结果,对每一个信号采样8次,经过移位还原后存储到相应的数组中,共得到3组数据。如果预定的ADC中断发生,则转人中断服务程序,对采样的数据进行分析、处理和传输。以电压采样为例,其具体的流程图如图6所示。

4.3 PID运算模块

                        8.PID运算程序流程图

  本系统借助DSP强大的运算功能,通过编程实现了软件PID调节。由于本系统软件中采用的是增量式PID算法,因此需要得到控制量的增量un ,式为增量式PID算法的离散化形式:

          

  开关电源在进入稳态后,偏差是很小的。如果偏差e在一个很小的范围内波动,控制器对这样微小的偏差计算后,将会输出一个微小的控制量,使输出的控制值在一个很小的范围内,不断改变自己的方向,频繁动作,发生振荡,这既影响输出控制器,也对负载不利。

  为了避免控制动作过于频繁,消除由于频繁动作所引起的系统振荡,在PID算法的设计中设定了一个输出允许带eo。当采集到的偏差|en|≤eo时,不改变控制量,使充电过程能够稳定地进行;只有当|en| >eo 时才对输出控制量进行调节。PID控制模块的程序流程如图8所示。

    TMS320LF2407A内部包括两个事件管理器模块EVAEVB,每个事件管理器模块包括通用定时器GP、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。通过TMS320LF2407A事件管理模块中的比较单元可以产生带死区的PWM波,与PWM 波产生相关的寄存器有:比较寄存器CMPRx、定时器周期寄存器Tx—PR、定时器控制寄存器TxCON、定时器增/减计数器TxCNT、比较控制寄存器COMCONAB、死区控制寄存器DBTCONAB

   PWM波的生成需对TMS320LF2407A的事件管理模块中的寄存器进行配置。由于选用的是PWM12,因此配置事件管理寄存器组A,根据需要生成带死区PWM波的设置步骤为:

  (1)设置并装载比较方式寄存器ACTRA,即设置PWM波的输出方式;

  (2)设置T1CON寄存器,设定定时器1工作模式,使能比较操作;

  (3)设置并装载定时器1周期寄存器T1PR,即规定PWM 波形的周期;

  (4)定义CMPR1寄存器,它决定了输出PWM 波的占空比,CMPR1中的值是通过计算采样值而得到的;

  (5)设置比较控制寄存器COMCONA,使能PD—PINTA 中断;

  (6)设置并装载死区寄存器DBTCONA,即设置死区时间。

9.带死区PWM波的生成原理

第五章 结论

本文介绍的基于DSP的大功率高频开关电源,充分发挥了DSP强大功能,可以对开关电源进行多方面控制,并且能够简化器件,降低成本,减少功耗,提高设备的可靠性。

电源网-天边在2019-07-18打赏该贴 +10 电源币 打赏理由:很认真的毕业,欢迎来论坛一起讨论专业知识。

2019/07/18 11:22:56
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电源网-璐璐
电源币:1091 | 积分:72 主题帖:255 | 回复帖:1495
LV10
司令

精彩!学习学习

2019/07/19 13:47:32
3
jsapin
电源币:150 | 积分:0 主题帖:9 | 回复帖:114
LV5
营长

这个帖子是刚开始,还是结束了啊?感觉像个框架,没有内容填充,软件部分一行都没有!

期待内容

2019/08/15 13:13:50
4
奋斗的青春
电源币:382 | 积分:3 主题帖:84 | 回复帖:641
LV9
军长
这个能来点硬件实物吗?或者测试数据及功能验证。
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