基于DSP芯片TMS320LF2407控制的數(shù)字開關電源綜述

　　開關電源具有小型、輕量和高效的特點，被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備和通信設備中。與之相對應，在微電子技術發(fā)展的帶動下，DSP芯片的發(fā)展日新月異，功能日益強大，性價比不斷上升，其處理速度比CPU快10～15倍。因此，基于DSP芯片的開關電源必將擁有廣闊的前景，可用于先進的機載電源中。

　　1、開關電源模擬控制和數(shù)字控制的比較

　　1．1、模擬控制

　　模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，例如在｛0，5Ｖ｝這一集合中取值。

　　模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變??；流經這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。

　　模擬控制看起來直觀而簡單，但它并不總是經濟或可行的。其中一點就是模擬控制容易隨時間漂移，因而難以調節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設備）和昂貴。模擬控制還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗與工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬控制還對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

　　1．2、數(shù)字控制

　　所謂電源的數(shù)字控制，也稱為“回路內部的處理器”，是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。它必須對兩個數(shù)字串進行比較以產生脈沖寬度來驅動電源開關，而不是使用傳統(tǒng)模擬PWM比較器。它會將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉換成數(shù)字信號，并在數(shù)字域利用這些數(shù)據計算控制響應，然后將新產生的控制信息加傳至系統(tǒng)。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。

　　實現(xiàn)開關電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：

　　（1）基于單片機控制的開關電源單片機通過外接A／D轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數(shù)據進行運算和調節(jié)，再把結果通過D／A轉換后傳到PWM芯片中，實現(xiàn)單片機對開關電源的間接控制。這種技術目前已經比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個芯片，電路比較復雜；單片機經過A／D和D／A轉換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有的單片機集成了PWM輸出，但開關電源不斷往高頻化方向發(fā)展，一般單片機的時鐘頻率有限，產生的PWM輸出頻率和精度成反比，無法產生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。

　?。?）基于數(shù)字信號處理控制的開關電源通過高性能數(shù)字芯片如DSP對電源實現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號采樣A／D轉換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM信號功率不足以驅動開關管，需要驅動芯片。這樣就可以簡化控制電路，由于這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現(xiàn)各種復雜的控制算法，實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。本文研究的數(shù)字開關電源采用這種控制方式。

　　2、基于DSP芯片TMS320LF2407控制的數(shù)字開關電源

　　2．1、數(shù)字控制電源系統(tǒng)的特點

　?。?）以數(shù)字信號處理器DSP或單片機為核心，將數(shù)字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。

　?。?）采用“整合數(shù)字電源”技術，實現(xiàn)了開關電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。

　?。?）高集成度，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化，將大量的分立元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

　　（4）能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數(shù)字電源達到高技術指標。

　　2．2、DSP芯片TMS320LF2407簡介

　　TMS320系列DSP的體系結構專為實時信號處理而設計，該系列DSP集實時處理和控制外設功能于一身，為實現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了理想的解決方案。

　　TMS320LF2407在TMS320系列基礎上有以下特點：

　?。?）高性能10位模／數(shù)轉換器（ADC）的轉換時間為500ｎS，提供多達16路的模擬輸入。

　　（2）基于TMS320C2ｘｘ第洌的CPU核保證了其與TMS320系列DSP的代碼兼容。

　?。?）具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個均可提供兩個16位通用定時器和八個16位的PWM通道。

　?。?）高達24ｋ的FLASH程序存儲器。

　?。?）可擴展外部存儲器。

　?。?）五個外部中斷（兩個驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷）。

　　2．3、基于DSP控制的開關電源原理

　　基于DSP控制的開關電源結構如圖1所示。

　　圖1 ? ? ?基 于數(shù)字信號處理DSP控制的開關電源原理結構圖

　　圖中DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要進行數(shù)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(shù)字PWM波形控制主功率變換器，避免了模擬PWM控制器中的雙脈沖現(xiàn)象和半頻現(xiàn)象，實現(xiàn)了PWM控制的完全數(shù)字化；AID轉換電路用作電壓、電流、溫度等數(shù)據的采集，芯片可采用TLC5540芯片，或者TLC2543芯片，通過此AID轉換電路采集的電壓等信號，經數(shù)據總線低八位進入DSP，與標準正弦波信號進行比較，當檢測到輸出電壓幅度高于標準正弦波信號時，按比例降低占空比，從而實現(xiàn)對開關電源輸出正弦波和幅度的調制。DSP通過接口電路還可以擴展LCD、鍵盤進行人機交換以及通過串口RS－485或RS－232進行數(shù)據通信等。

　　3、結束語

　　基于數(shù)字信號處理的開關電源，雖然DSP芯片結構復雜，成本比較高，而且DSP控制技術相對較難掌握，況且利用單片機也能實現(xiàn)其部分功能，但運用DSP強大的數(shù)據處理能力及其速度優(yōu)勢可以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實時性，可以快速有效地實現(xiàn)各種復雜的控制算法，實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度，滿足逆變電源更高的要求，為電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供必要的軟硬件基礎。