基于數字化控制的開(kāi)關(guān)電源的研究
開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效節能型電源。傳統的開(kāi)關(guān)電源采用模擬控制技術(shù)，使用比較器、誤差放大器和模擬調變器等元器件來(lái)調整電源輸出電壓。模擬控制方法只適用于頻率高、電力小、功能少的開(kāi)關(guān)電源，且存在控制電路復雜、元器件多以及控制電路一旦成型很難修改等缺點(diǎn)，不利于開(kāi)關(guān)電源的集成化和小型化。開(kāi)關(guān)電源的數字化控制技術(shù)能夠較好地解決這些問(wèn)題。本文介紹了開(kāi)關(guān)電源的數字化控制技術(shù)，并給出了基于單片機控制和基于DSP控制開(kāi)關(guān)電源的兩種模型，分析和比較了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)以及應用場(chǎng)合，現在介紹如下。
1 開(kāi)關(guān)電源模擬控制和數字控制的比較
1．1開(kāi)關(guān)電源模擬控制的種類(lèi)與特點(diǎn)
開(kāi)關(guān)電源的模擬控制方法已經(jīng)使用了數十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3種：脈沖寬度調制方式PWM、脈沖頻率調制方式PFM和昆合調制方式。
圖1為脈寬調制式（PWM）開(kāi)關(guān)電源，AC220V輸入電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后變成直流電壓U，再由功率開(kāi)關(guān)管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過(guò)輸出整流濾波器VD、C2，獲得所需要的直流輸出電壓U0。利用誤差放大器和PWM比較器構成閉環(huán)調節系統。這種模擬控制電路因為使用元器件多而需要很大空間，這些元器件本身的值還會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動(dòng)，并對系統穩定性和響應能力造成負面影響，不利于模擬系統的測試和維修。另外，模擬控制的控制響應特性是由分立元器件的值決定的，因此無(wú)法為所有電源值或負載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應。
1．2開(kāi)關(guān)電源數字控制的特點(diǎn)與應用
所謂電源的數字控制，也稱(chēng)為“回路內部的處理器”，是指控制器能在數字域執行所有系統控制算法。它必須對兩個(gè)數字串進(jìn)行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來(lái)驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，而不是使用傳統模擬PWM比較器。它會(huì )將所有模擬系統參數轉換成數字信號，并在數字域利用這些數據計算控制響應，然后將新產(chǎn)生的控制信息加傳至系統。
數字控制電源系統有以下特點(diǎn)：
�。�1）以數字信號處理器DSP或單片機為核心，將數字電源驅動(dòng)器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開(kāi)關(guān)電源系統。
�。�2）采用“整合數字電源”技術(shù)，實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數字組件的優(yōu)化組合。
�。�3）高集成度，實(shí)現了電源系統單片集成化，將大量的分立元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中。
�。�4）能充分發(fā)揮數字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數字電源達到高技術(shù)指標。
這種技術(shù)可用于負載時(shí)間恒定的應用中，使電源運行在高頻狀態(tài)，如功率因數校正、非中斷電源、多個(gè)化學(xué)電池譯電和電機控制；還可用于采用若干可配置的PWM內核及控制、診斷和接口電路的手機以及PDA的PMU等其他應用。運行時(shí)間控制電路中的子電路或外設可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運行電壓，以節能。數字電源控制可使調節器更加靈敏。
2 基于數字控制技術(shù)開(kāi)關(guān)電源的方案
結合當前的數字控制技術(shù)和流行的電源管理模式，我們提出了以下兩種方案。
2．1基于單片機控制的開(kāi)關(guān)電源
隨著(zhù)電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和超大規模集成電路設計的進(jìn)一步提高，單片機技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、電力電子、汽車(chē)電子、機電一體化等方面得到了廣泛的應用，并取得了巨大的成果。利用單片機作為控制核心，設計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低。該方案采用單片機通過(guò)外接A／D轉換芯片進(jìn)行采樣，采樣后對得到的數據進(jìn)行運算和調節，再把結果通過(guò)D／A轉換后傳到PWM芯片中，實(shí)現單片機對開(kāi)關(guān)電源的間接控制。其原理結構如圖2。
其中：?jiǎn)纹瑱C采用MCS51；A／D轉換器采用TLC2543芯片，該芯片的接口方式采用串口，這種方式相對于并口方式，具有接口簡(jiǎn)單，便于擴展，體積小的特點(diǎn)。TLC2543的接口是典型的SPI接口，它與MCS51單片機相連接時(shí)，其硬件電路非常簡(jiǎn)單。但由于MCS51沒(méi)有標準的SPI接口，只能在程序中模仿SPI的操作方式對TLC2543進(jìn)行操作，因而程序要復雜一些。D／A轉換器采用TLC5615芯片與MCS51連接，同樣接口也采用串行方式�！翱撮T(mén)狗”（Watchdog）為單片機提供上電復位信號，當程序紊亂或電壓失常時(shí)啟動(dòng)內部的“看門(mén)狗”電路強迫單片機復位，使程序從頭開(kāi)始工作；具有512字節的EPROM存儲單元，用來(lái)存放各種重要數據，以備交流后重要數據丟失；外接有串口，通過(guò)電平轉換連接RS-485或者RS-232，實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源與上位機的信號傳輸；LCD、鍵盤(pán)接口電路實(shí)現了人機交換。
基于單片機的數字電源這種方法，雖然控制電路比較復雜，并且存在一定的延時(shí)，對電源的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精度有一定影響，但由于該方法對于單片機的要求不高，成本也比較低，設計方法容易掌握，因此可以在穩壓精度和動(dòng)態(tài)性能要求并不是很高的場(chǎng)合下使用。
2．2基于數字信號處理控制的開(kāi)關(guān)電源
利用高性能的DSP數字芯片對電源實(shí)現直接控制，可以簡(jiǎn)化控制電路的設計，再加上這些芯片有比較高的采樣速度（TMS320LF2407內部的10、位A／D轉換器完成一次A／D轉換只需500ns）和運算速度，可以快速有效地實(shí)現各種復雜的控制算法I�；贒SP控制的開(kāi)關(guān)電源原理結構如圖3。
其中：DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要進(jìn)行數字PID計算；復雜可編程邏輯器件CPLD根據DSP計算的結果生成數字PWM波形控制主功率變換器，這樣避免了模擬PWM控制器中的雙脈沖現象和半頻現象，實(shí)現了PWM控制的完全數字化；AID轉換電路用作電壓、電流、溫度等數據的采集，芯片可采用TLC5540芯片，也可采用TLC2543芯片，通過(guò)此AID轉換電路采集的電壓等信號，經(jīng)數據總線(xiàn)低八位進(jìn)入DSP，與標準正弦波信號進(jìn)行比較，當檢測到輸出電壓幅度高于標準正弦波信號時(shí)，按比例降低占空比，從而實(shí)現對開(kāi)關(guān)電源輸出正弦波和幅度的調DSP通過(guò)接口電路還可以擴展LCD、鍵盤(pán)進(jìn)行人機交換以及通過(guò)串口RS-485或RS一232進(jìn)行數據的通信等。
這種基于信號處理數字的開(kāi)關(guān)電源，雖然DSP芯片結構復雜，成本比較高，而且DSP控制技術(shù)相對較難掌握，但由于芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實(shí)現各種復雜的控制算法，實(shí)現對電源的有效控制，有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精度，因此，這種方式將會(huì )在今后開(kāi)關(guān)電源的數字控制技術(shù)中發(fā)揮重要作用。
3 結束語(yǔ)
開(kāi)關(guān)電源采用全數字化控制技術(shù)，可以有效地縮小電源體積，降低成本，大大提高了設備的可靠性和對用戶(hù)的適應性，是今后開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的一種趨勢。目前，在通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好地應用。該文給出的基于數字控制技術(shù)開(kāi)關(guān)電源的兩種方案，適用于不同的環(huán)境，我們可以根據采樣速度、運算速度和控制算法復雜度等因素選擇不同的方案.
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