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《PWM开关电源设计》学生姓名：薛磊学号：20101105182专业班级：工程3班指导教师：杨帆2013年12月1日目前，开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于以电子计算机为主的各种终端设备和通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。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，功能日益强大，性价比不断上升，开发手段不断改进，其处理速度比CPU倍，因此基于DSP芯片的开关电源拥有着广阔的前景，可用于先进的机载电源中，也是开关电源今后的发展趋势。同时DSP芯片的高速处理能力和丰富的外围设备，非常适合于实时数字信号处理,为开关电源采用全数字控制提供了可行性方案。设计了一种基于TMS320LF2407DSP芯片的开关电源，重点介绍TMS320LF2407在开关电源控制电路中的功能与实现。一、PWM型开关电源原理PWM型开关电源结构框图如下图1所示，开关电源电路是由开关管（调整管)、变换器、取样电路、比较放大电路、基准电源和激励器组成的控制环路及保护电路组成，市电信号经过输入滤波和整流滤波后实现AC/DC转换将电网交流电直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换；再经过逆变器后实现DC/AC转换，将整流后的直流电变为交流电，这是PWM型开关电源实现PWM控制的核心部分，其频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。最后再通过输出整流与滤波，根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。图1PWM型开关电源的结构框图图2开关电源控制原理图二、PWM控制原理开关电源控制原理图如图2所示。图中，开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E可通过开关K和滤波电路提供给负载RL为负载提供能量；为使负载能得到连续的能量，开关稳电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时向负载释放[1]。图3中，由电感L和电容C2和二极管D组成的电路就具有这种功能。电感L和电容C2用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L和C2中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。AB间的电压平均值EAB可表示为：EAB=TON/T×E(1)式中，TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期(即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和)。由式(1)可知，开关接通时间和工作周期的比例改变，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例，便能使输出电压Vo维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRatioControl，缩写为TRC)[2]。这里按照TRC原理选择了开关周期T恒定，通过改变脉冲宽度TON来改变占空比，这种方式称为脉宽调制方式(PWM)，用来实现对电压幅值频率的控制。图3三角波的规则调制采样法SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法，其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，如图3所示，每个脉冲的中点都以相应的三角波的中点对称，在三角载波的负峰时刻TD对正弦波采样得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率器件的通断。可见AB长度即为脉冲宽度，由图3可得如下关系式：AB=TC(1+sinwctD)/2(2)根据这一关系式可知，如果一个周期内有N个矩形波，则第I个矩形波的占空比为：Dt=0.5+0.5sin(I×2π/N)(3)三、DSP在开关电源控制电路中的应用从20世纪60年代开关电源出现开始,开关电源经历了由高频到更高频,由模拟控制到数字控制的过程。在20世纪90年代,出现了基于单片机的数字式高频电源,但是因为单片机的字长和计算能力的关系,它计算出来的脉宽不够精确,使控制环精度受到限制,无法满足应用要求。近年来，TI、MO-TOROLA、ADI等公司相继推出了适用于开关电源使用的DSP芯片,使得开关电源的控制技术朝着全数字化、智能化和网络化的方向发展。本论文中选取TI公司的TMS320LF2407DSP芯片作为开关电源的控制器。TMS320LF2407的结构特点TMS320LF2407是TI公司推出的一款用于控制的低价格、高性能定点DSP芯片，具有高速信号处理和数字化控制功能所必需的结构特点，其体系结构专为实时信号处理而设计，将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。其适用于开关电源控制器的主要特点有：1、30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(系统运行主频达30MHz)提高了控制器的实时控制能力。2、采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗，符合低功耗设计要求；利用片内高达32K字节的FLASH程序存储器存储程序降低了成本减小了体积，而且系统升级也方便。3、两个事件管理器模块EVA和EVB，是TI公司C2000系列DSP最具特色的部分，每个事件管理器模块包括2个16位通用定时器，8个16位的脉宽调制(PWM)通道，能够提供方便可调的PWM波形；另外，两个EV模块还单独提供功率驱动保护中断输入引脚PDPINTx(x=A、B)用于监视过电压、过电流和温度过高等异常信号，为系统操作提供安全保障。4、16个A/D转换通道，可同时接受电压、电流及反应器反馈参数等信号。10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。减少模拟电路节约空间，另外还可现场再编程，并且可改善电路的温度特性。TMS320LF2407在控制电路中的应用图5基于TMS320LF2407的开关电源系统框图综上所述,TMS320LF2407具有较高的速度、丰富的片内外设和优良的控制性能，将其用于开关电源，极易满足开关电源对高频化和智能化的要求[5]。图5为本设计系统框图。其中虚框部分为TMS320LF2407，其主要功能有：采样反馈电路输入A/D的信号；采样后,通过控制算法产生用于驱动开关管的PWM波形，达到稳压的目的；同时当输出电压、电流过高或欠压时，采取相应措施来处理突发事件，起到保护作用。四、基于DSP芯片TMS320LF2407的SPWM控制基本原理图4基于TMS320LF2407的开关电源系统框图这里以EVB中的通用定时器3及与之相关的比较单元为例来说明实现SPWM控制的过程。TMS320LF2407中EVB的定时器3有二个与之相关的比较单元：比较单元4、5、6，每个比较单元都有个相应的比较寄存器：CMPR4,CMPRS和CMPR6。每个比较单元都可单独设置成比较模式和PWM模式，设置为PWM模式时，每个比较单元有两个极性相反的PWM输出。因此利用TMS320LF2407可实现对三相桥式逆变电路的SPWM控制。在周期寄存器T3PR的值定的情况下，通过改变比较寄存器的值就叫以改变输出知形脉冲的宽度[3]。根据式(3)所得的占空比表达式，丙利用通用定时器比较单元的PWM特性，就可以很容易地实现SPWM。首先介绍下产生PWM的寄存器设置，其步骤如下：(1)装载比较方式控制寄存器ACTRB。(2)如果使能死区，则设置和装载死区时间控制寄存器DBTCONB(如使能则可避免上下桥臂同时输出触发脉冲)。(3)设置和装载定时器3周期寄存器，即规定PWM波形周期。(4)初始化EVB的比较寄存器CMPR4,CMPRS,CMPR6。(5)设置和装载定时器3的控制寄存器T3CON。(6)更新比较寄存器的值，使输出的PWM波形占空比发生变化。具体的程序设计方法如下：系统初始化后根据载波频率和信号频率计算出每个周期需要输出的知形波个数，从而确定定时器的周期，以设置频率参数及脉冲个数。根据式(3)计算出每个知形脉冲的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，从而计算出比较寄存器的值。该过程作为计算子程序，并使脉冲指针个数I加1。在周期中断子程序中将计算所得出的比较寄存器的值送到比较寄存器，当达到次载波周期时置相应标志位。主程序根据标志位来判断是否己完成个周期的操作。如果标志位TC上己置1，则清标志位，调计算占空比子程序，然后进入等待状态;如果标志位上末置1，则白接进入等待状态。其主程序流程图如图6所示。图6主程序流程图虽然利用单片机也能实现SPWM,但运用DSP强大的数据处理能力及其速度优势叫以提高电源控制系统的精度和实时性，其性能比较见表1。表1DSP与单片机性能的比较总线结构数据处理能力指令执行时间乘加运算(us)PWM(us)正余弦查表(us)速度测量(us)电流控制(us)单片机共用总线差多周期2217.249.640DSP并行总线很强单周期多功能指令0.0500.0501.95.74.3五、小结将DSP作为开关电源的控制核心，实现了开关电源的数字控制，克服模拟控制系统中元件老化，热漂移等问题，并克服了单片机控制电路复杂、运算精度不高等不足。利用TMS320LF2407的软硬件资源，实现了采样、PWM控制及系统保护，简化了控制电路，提高了电源设计和制造的灵活性；另外该控制器可控性好，易扩展，容易升级维修。