基于TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研究与应用_田野.docx

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Power has been widely applied to communications, computers, automation, military, industrial, agriculture and other fields with the development of the supply from the linear power supply to the switching power supply. The digital switching power supply has simplified the hardware circuitry. It has overcome the drift problem of the analog pov/er supply, easy to implement advanced control and has become a power in the field of application of hot spots. This Master Thesis studies a digital switching power supply based on DSP chip TMS320F28335. The switching power is small in volume and can output stable voltage. The main work is as follows: 1. It analyzes the working principle of digital control of switching power supply system, and makes the choice of the topology of the main circuit for power supply according to the study of the basic working principle and main circuit topology structure of the switching power supply. 2. This Master Thesis designs the main circuit and peripheral circuit, and determines the main circuit components of each part through analysis and calculation in the meantime. According to the design demand of the subject. 3. It has designed the peripheral circuit of DSP chip TMS320F28335, the software flow and the algorithm. 4. It builds a finally digital switching power supply of DC boost type, and carries on the relevant test. It has proposed the characteristics of the digital switching power supply system, the existing problems, and pointed out the direction of further improvement. Keywords: switching power supply topologies DSP digital control 第一章绪论 . 1 1.1开关电源概述 . 1 1.2开关电源的发展和趋势 . 1 1.3课题研究背景及意义 . 2 1.4论文的主要研究内容 . 2 第二章数字开关电源的技术基础 . 5 2.1开关电源的基本工作原理 . 5 2.2开关电源的拓扑结构 . 5 2.2.1降压型拓扑结构 . 5 2.2.2升压型拓扑结构 . 6 2.2.3单端反激式开关拓扑 . 7 2.2.4单端正激式开关拓扑 . ： .8 2.2.5推挽式开关拓扑 . 9 2.2.6全桥式开关拓扑 . 10 2.2.7半桥式开关拓扑 . 11 2.2.8主电路拓扑结构的选择 . 12 2.3开关电源控制系统 . 12 2.3.1开关电源的控制方法 . 12 2.3.2模拟控制与数字控制的比较 . 13 2.3.3数字控制式开关电源原理 . 14 2.3.4开关电源数字控制的实现方式 . 16 第三章数字式开关电源硬件平台的设计 . 21 3.1数字式开关电源主电路设计 . 21 3.1 .1MOSFET 选取 . 22 3.1.2电容选取 . 22 3.1.3全桥整流 . 22 3.1.4直流输出 LC滤波器设计 . 23 3.2高频变压器的设计 . 24 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研究与应用 3.2.1确定磁芯材料以及磁芯面积 AP . 24 3.2.2高频变压器电感绕制及需要注意的问题 . 26 3.3隔离驱动电路设计 . .26 第四章数字式开关电源控制电路的设计 . 29 4.1高频开关电源的控制方式 . 29 4.1.1电压模式控制 . 30 4.1.2幢模式控制 . 30 4.2PID数字控制器 . 31 4.3数字开关电源控制系统硬件设计 . 33 4.3.1 DSP芯片的选择 . 33 4.3.2 DSP芯片电源 . 34 4.3.3时钟电路 . 35 4.3,4复位电路 . 35 4.3.5 JTAG 接口电路 . 36 4.4 A/D釆样电路设计 . 36 4.4.1 ADC模块采样校正技术 . 37 4.4.2ADC校正电路 . 38 4.5数字开关电源控制系统软件设计 . 39 4.5.1 CCS 介绍 . 39 4.5.2程序流程图 . 40 第五章数字开关电源试验结果与分析 . 43 5.1数字开关电源试验过程与结果 . 43 5.2数字开关电源系统调试问题 . 46 5.3 PCB设计中的问题 . 47 第六章结论及展望 . 49 6.1本文工作总结 . 49 6.2今后展望 . 50 m. m . 5i . 53 第一章绪论 1 第一章绪论 1.1开关电源概述 目前，电子设备正在各行各业里扮演着越来越重要的作用。电子设备中的电 源为整个电子设备提供能量，电源的性能优劣直接影响着电子设备工作情况，是 整个电子设备的 “ 心脏 ” 。电源由最初的线形电源发展到今天的开关电源，广泛的应 用于通讯、计算机、自动化、军事、工业、农业等各个领域。 线性电源和开关电源是目前电源中常用的两种。线性电源指调整管工作在线 性状态下的稳压电源，稳定输出电压靠将深度负反馈作用在电路中来实现。线性 电源的特点是电源稳定性好、可靠度高、输出电压的纹波小，其不足是线性电源 效率低下、损耗 较高、体积也较大。目前，随着能源紧缺，环境污染加剧，线性 电源正逐渐被淘汰。开关电源是通过控制开关管的开与关时间，改变其占空比， 从而来稳定输出电压。常用的开关电源主要分为：交流转换直流、直流转换交流、 直流转换直流和交流转换交流这 4种类型。 与线性电源相比，开关电源具有重量轻、体积小、损耗小、功耗低等特点。 是目前不可缺少的一种电源方式 1。 1.2开关电源的发展和趋势 开关电源根据电源的发展进程可大致划分为如下几个时期 2: 1. 电子管阶段 1955年美国科学家罗耶 （ GH.Roger)首先成功利用磁芯的磁饱和来进行自激 振荡的晶体管单变压器直流变压器。它是现代开关电源发展的起步开始阶段。 2. 晶体管阶段 上世纪六七十年代，伴随着大功率晶体管的耐压值增高、二极管的反向恢复 时间缩短等元器件技术的革新，晶体管技术得以迅速发展，相应的晶体管稳压电 源应运而生，开关电源的体积和重量大幅度地减小，开关电源自此得到广泛的应 用。 3. 高性能阶段 上世纪七十年代以后，由于元器件性能得到提高，脉冲调制理论的发展，开关 管开关频率的进一步提高，从而使电源体积变的更小、效率变的更高、重量变的 更轻。 目前，由于开关电源正被人们广泛的使用，因此开关电源正进入一个蓬勃发 展的时期。其发展趋势主要体现在以下几个方面 3: 1. 小型化、高频化、轻量化 2 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研宂与应用 高频化可以不断提高电源的频率，大幅提升其功率密度而电源体积和重量得 到减小，动态响应也能得到提高，目前采用软开关的开关电源频率己经能提高至 1MHZ。但高频化也带来了更大的噪声。 2. 高可靠性、高集成度 开关电源本身就具有较高的可靠性，那是由于开关电源的元器件数量远小于 线性电源。在开关电源中，电容、电感和 MOS管等器件决定着电源的使用年限。 对于持续工作的电源，多数元器件使用率很低。今后的发展方向是提高整个电源 可靠性，比如：提高开关电源的集成度，减少很少使用的器件等。 3. 低噪声 噪声较大是开关电源最大的缺点，这是由其自身结构决定的。不断追求高频 化，带来的是不断增大的噪声。这就需要采用适当的技术手段来改进噪声特性， 如采用部分谐振转换回路技术。 1.3课题研宄背景及意义 开关式电源按照控制部件的不同实现方 式可分为模拟控制式与数字控制式两 种。模拟控制式开关电源虽然结构较为可靠，技术相对成熟，但仍存在很多的缺 陷。 近年来，由于数字化技术的飞速发展，开关电源也逐渐由模拟控制式向数字 控制式发展。数字开关电源具有简化了硬件电路、克服了模拟电源中常见的漂移 问题、并且易于实现先进控制等优点，已经成为电源领域研宄应用的热点。 本文的研究内容为某单位的预研项目，旨在对数字开关电源的应用进行初步 探索。为下一步提高电源的电压、功率和实际应用做准备。 1.4论文的主要研究内容 本文主要研宄数字电源系统各部分组成结构，设计一台输入为直流 50V， 输 出为直流 1000V的数字开关电源。开关电源控制核心采用 TI公司的 TMS320F28335 芯片取代传统的模拟控制核心，先对输出电压和电流进行采样，再通过软件编程 调整驱动脉冲宽度大小来改变半桥逆变器开关管开通时间，达到稳定输出电压的 目的。论文的具体结构分配如下： 第一章为绪论，对开关电源进行了概述，对数字开关电源的发展历史和趋势 做了阐述。最后介绍了论文的主要研究内容和工作。 第二章通过对开关电源的基本工作原理及各种主电路拓扑结构研宄， 分析数 字开关电源系统控制的工作原理，并为电源选择主电路的拓扑结构。 第三章针对课题的设计需求进行了主电路和外围电路的设计，同时通过分析 和计算确定了主电路各部分的元器件。 第一章绪论 3 第四章为控制系统设计，对 DSP芯片 TMS320F28335及外围电路的设计做了 介绍，对 ADC采样电路进行了设计，叙述了软件设计流程和所采用的算法，最终 编程、调试实现。 第五章对所设计的数字开关电源获取的试验数据进行处理并分析，并对设计 过程中的缺陷和不足进行了总结。 第六章 分析该数字开关电源系统的特点和存在的不足，并指出了进一步改进 的方向。 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研宄与应用 4 第二章数字开关电源的方案选择 5 第二章数字开关电源的技术基础 2. 1开关电源的基本工作原理 所谓的开关电源就是指利用开关管的开通和关断将交流 (单相或三相 ： )或直流 电压变为直流电压的一种电源。在该转变过程中，我们不但要保证自动控制闭环 稳定输出，同时还要具有一定保护的环节。高频 DC/AC逆变器、高频变压器、输 出整流滤波器、控制电路、保护电路等几大部分是高频直流开关电源的主要组成 部分，它是通过高频 DC/AC逆变器把输入的直流电压变转变成高频的交流脉冲电 压，然后通过高频变压器隔离变换，得到需求的高频交流电压，最终再通过整流 滤波电路将输出的高频交流电压整流滤波得到所需的高质量、高品质的直流电压。 直流开关电源原理框图如图 2-1所示。 图 2-1直流开关电源原理框图 2.2开关电源的拓扑结构 开关电源的最重要组成部分是 DC-DC变换器，整个装置转换的核心部分， 其涉及到了频率变化。开关电源有多种拓扑结构，而各种拓扑结构的优缺点也各 不相同，而目前 常用的拓扑结构包括 7种，分别介绍如下 45: 2.2.1降压型拓扑结构 降压型变换器拓扑结构也称 BUCK型，其典型电路图如图 2-2所示，由以占 空比 Di工作的开关管 Q、 整流二极管 D、 电感 L、 电容 C组成的 BUCK型变换器 电路，将输入电压 t/,+变换成较低的稳定输出电压 C/。， 其中整流二极管 D要选择快 速反应且压降小的肖特基势垒二极管。 6 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研宄与应用 Q +° - 图 2-2降压型开关电源电路原理图 基本工作原理：首先，当控制开关管 Q导通 （ TON)时，整流二极管 D因受 到反向电压而不导通。开关管 Q导通阶段，二极管 D承受反向偏压截止，输入电 源电压； 7,对电感 L和电容 C充电，将电能转化成磁能储存起来。当开关管 Q关断 (TOTF)时，断开了电源与主电路的连接，电容 C处在放电状态，这时二极管 D 承受正向偏压导通，电容 C幵始放电，电感 L和电容 C提供负载电流，储存的磁 能开始转换成电能，得到脉冲较小的直流电压。当电路达到稳态时，通过计算 输出直流电压为 : =D U! t n+t通 (2.1) 其中表示开关管导通占空比。通过调节占空比 £>的值，就能有效的控制输 出电压的平均值。由于占空比 D的值总是小于 1，因此变换器输出电压总小 于电源电压故称它为降压型变换器。 因此对于 Buck电路来说，其优点是显而易见，不但效率极高，损耗也很低 , 同时能够保证输出的电流为大电流且静态电流小。 当开关管 Q开通时，由于电感 L上电压恒定 -%)，输出电压 f/,对电感 L 充电，流过电感 L上的电流呈有阶梯的斜坡上升， 当开关管 Q关断时，由于电感 电流不能突变，电感两端电压极性会迅速反转以保持电感中电流不变。这种现象 称为 “ 电感反冲 ” 。为了保护开关管 Q接入整流二极管 D， 此时 D导通将电感 L前 段电压钳位于比地低一个二极管导通压降。 Buck电路的缺点是输出脉动和开关噪 音较大、不具备隔离作用、成本比较高。 2.2.2升压型拓扑结构 升压型拓扑结构也称 Boost型，其通常应用于低功率场合，其典型电路图如图 2-3所示，由以占空比 Di工作的开关管 Q、 整流二极管 D、 电感 L、 电容 C组成 的 boost型变换器电路，将输入电压 t/,.变换成较高的稳定输出电压 ,其中整流 二极管 D要选择快速反应且压降小的肖特基势垒二极管。 第二章数字开关电源的方案选择 7 图 2-3升压型开关电源电路原理图 其工作原理为：第一阶段，当 Q导通时，二极管 D承受反向偏压截止，电感 电流线性上升，输入电源的电能转换成磁场能存储在电感 L中，电容 C提供负载 Rt上得到的电压；第二阶段， Q截止，二 极管 D承受正向偏置电压导通，输入电 源的电能和储存在电感 L中的能量通过 D流向电容 C和负载 Ri。 经电容 C的稳 压滤波后，在负载 Ri上就能得到比较平稳的直流电压。电路在稳态时可得到， 通过计算输出直流电压为： . 因为 f/。 始终大于 R， 故称它为升压型变换器。 LM2586、 MAX742、 LT1370、 TPS6101x等都属于典型的升压型控制器。 2.2.3单端反激式开关拓扑 在反激拓扑中，开关管 Q控制整个电路的导通或关断，变压器初级产生高频 交流方波电压，经变压器产生所需幅值的高频交流方波电压，整 后将给电容、 负载提供其所需的能量。其中电路中的高频变压器能够起到传输能量、储存能量 的作用。这种拓扑结构可以实现直流输入和输出端的完全隔离，实现输出多路不 同大小和极性的直流电压，适合于高电压、小功率场合，在设计的同时，输出端 可以不接滤波电感，而这能够大大的降低成本、缩小变换器体积。典型的反激变 换器的电路如图所示。 图 2-4典型的反激式开关电源电路原理图 8 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研宄与应用 开关管 Q工 作 周 期 为 。 控 制 信 号 使 开 关 管 Q导通 /。 期间，不考虑 开关管 Q的压降，输入电压 C/,可以近似认为全部加在变压器初级绕组两端。同名 端 相对异名端为负，故次级二极管 D受到反向偏置电压而截止，初级绕组电流呈 线性上升，变压器做为电感运行，变压器储存能量，没有能量传递到次级，负载 的能量由电容 C单独供电。控制信号使开关管 Q截止 期间，变压器初级电感产 生感应电动势反抗电流小，变压器初级电压和次级电压反向，储存在变压器磁场 中的能量传递给次级， C足够大，使输出的电压等于均值。 经过上面一系列的周期性的往复工作，开关电源最终处于稳定的工作状态， 经计算最终可以得到输出的直流电压为 : U0 = DUt n-d) (2.3) 从式中可看出，开关管的占空比 ZX乃 是原来信号的最高频率。经过反复软件调试，采样频率到达一定程度，对 数字开关电源系统性能的改善就不明显，在数字电源设计中，模数转换器必须具 有足够高的分辨率，可以实现高精度的电压 /电流调节。 开关电源模拟控制器信号釆样中，釆样信号一般是连续进行的，而数字控制 中，采样信号是离散的。由于离散的采样信号尖峰很大，所以对开关电源噪声影 响也较大。开关噪声时刻与采样时刻有频率相似的原因，因此采样中对采样信号 不能进行有效地控制。为了解决开关电源噪声这个问题，可以利用数字滤波对信 号中的噪声以及干扰进行有效的滤波，或者对其进行畸变动态补偿，最终有效地 改进控制系统的性能，提高数字控制算式的精度。 数字滤波是通过软件编程来实现的，通过一定的控制规律来计算减 小干扰信 号，这种数字滤波器在应用中很方便，可以通过编程进行检测，目前应用很广泛。 对于数字控制来说，通过数字滤波的方法来改进数字控制算式，能够有效地测量 信号中产生的干扰及噪音，同时可以有效地抑制偏差信号的产生，最终提高了控 制精度，改进了控制性能。在工程设计当中，经常会采取了对釆样电压求平均法 来消除开关管产生尖峰电压，以便更能准确进行 PID控制。 2. HD控制器 PID控制器都是通过一定的控制算法来实现控制的。模拟开关电源中，对输出 电压 /电流的控制是通过设置误差放大器、电容、电阻来完成 PID闭环调节补偿 器 16 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研宄与应用 的。在数字开关电源中， PID调节补偿器起初也是借鉴模拟控制 PID的经验发展 来的。 PID算法在数字电源中得到了迅速发张。在数字开关电源控制系统中，通过数 字集成芯片软件编程来实现 PID控制规律， HD控制方式灵活性很大，解决了很 多在模拟PID控制器中无法实现的控制算法。本方案中在数字电源闭环控制系统 中采用了 PID控制。数字 PID控制是对输出采样控制，它只能根据采样时刻的偏 差值计算控制量大小。因此，不能使用连续域控制算法，需要采用离散化方 法。实验中对输出 1000V直流电压经过电压传感器进行电压釆样，采样的 0V-3V 直流电压经 LC滤波后平稳的送入 DSP的 ADC采样端口，进行量化、数字滤波后 与参考值进行偏差来调节输出 PWM的占空比，进而使输出电压稳定。 3. 数字脉宽调制器 DPWM 数字脉宽调制器 (DPWM)工作原理是数字信号到时间信号的转换 9首先通过时 间量化环节将一个开关周期量化成很多时间分格，然后根据输入的数字信号要求 来选取合适的时间分格，进而得到所需的脉冲宽度，实现从数字信号到占空比的 转换。 2.3.4开关电源数字控制的实现方式 针对目前模拟控制存在的固有缺点，数字开关电源得到了迅速的发展。数字 开关电源的控制方式常用的有 3种 1():单片机控制、 FPGA控制以及 DSP控制。 1.单片机控制 起初数字开关电源中均用单片机来实现。采用单片机控制，电路设计一般比 较简单，功能比较全面，性能也比较强大。单片机控制开关电源结构框图如图 2-11 所示，通过单片机控制，对采样得到数据进行各种计算，控制开关电源输出特性， 这样， 提高了电源稳定性和可靠性，有效的抑制了各种干扰信号。 在开关电源中采用单片机控制这项技术目前己经很成熟了，虽然它具备很多 优点，但是它也存在一系列问题。由于控制电路使用的芯片多，电路相对比较复 杂，在进行A/D和 D/A转换时，又存在较大的延迟性，这样就会带来较差的稳压精 度和较差的动态性能。而且目前开关电源正在朝高频化的方向发展，当单片机的 时钟频率降低时，控制精度也会降低。而产生的 PWM的输出频率和精度成反比， 因此，不能输出高频率高精度的 PWM信号。 第二章数字开关电源的方案选择 17 2. FPGA控制 FPGA是 ASIC电路中设计周期短、开发费用低、风险最小的器件之一，具有 大容量、逻辑功能强的特点，兼有高速、高可靠性的优点。它是在可编程阵列逻 辑 PAL(Programmable Array Logic)、 门阵列逻辑 GAL(Gate Array Logic)、 可编程逻 辑器件 PLD(Programmable Logic Device)等可编程器件的基础上发展出来的产物。 图 2-12为用 FPGA控制开关电源的结构框图。其内部主要由两个模块组成， 第 一个是通讯管理模块，它是由 CPU完成工作的。第二个是 PID控制和 PWM波 产生模块，它是由内部的 DPS完成的。釆用 FPGA控制方式，它能产生数字 PWM 波形，同时能够对电源输出的电压饱流进行调节、监控。 FPGA控制数字开关电 源在使用的时候应当要外加载高精度 A/D转换器，这样就能得到很高的控制精度 和良好的动态响应。 输入整流滤波 皮 负载 输入电压 功率转换器 驱动保护 输出整流滤 i 图 2-11单片机控制开关电源结构框图 雜 雜 雜 18 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研宂与应用 图 2-12 FPGA控制开关电源的结构框图 基于 FPGA控制的数字开关电源价格昂贵是其最大的缺点，只有在不考虑成 本因素的情况下， FPGA控制的数字开关电源才会成为首选。 3. DSP控制 随着数字信号处理器 (DSP)的广泛应用，目前 DSP己经成为开关电源的控制核 心 这意味着可以使用最少的硬件和软件来实现灵活、准确的电源控制。基于 DSP 控制具有精度高、可靠性高、可重复利用性能好等特点。通过采用 DSP控制，它 能够将硬件与相应的软件结合起来，使得系统硬件与功能更加独立，最终得到质 量较好、频率和幅值可任意改变的控制信号。图 2-13为基于 DSP控制开关电源的 结构框图。 图 2-13基于 DSP控制幵关电源的结构框图 高性能数字 DSP芯片主要完成信号采样、 A/D转换、 PID控制、 PWM输出和 第二章数字开关电源的方案选择 19 输出监控等工作。由于 DSP芯片的采样速度和运算速度都比较高，因此 DSP芯片 可以快速有效的完成对各种复杂问题的控制算法，并完成对电源的有效控制，使 电源稳定性变高、可靠性也变高。 与单片机控制相比而言， DSP控制过程与单片机控制过程一样，但是其运算 能力更强，同时各个步骤能够重叠起来执行，大大缩短了平均执行时间。而与基 于 FPGA控制的相比较，基于 DSP控制成本较低，且易于实现。故本设计选用基 于 DSP芯片控制方法设计数字式开关电源。 20 基于 TMS320F28335DSP芯片的数字开关电源的研究与应用 第三章数字式开关电源硬件平台的设计 21 第三章数字式开关电源硬件平台的设计 本章首先指定了所要设计的数字式开关电源的技术指标，确定主电路采用半 桥型变换电路，然后详细地介绍了主电路的各组成部分，并对关键元件的进行了 设计及选型。 以下为数字式开关电源技术指标 1、 输入电压：直流 50±1 V; 2、 输入电流： S5A; 3、 输出电压 ： 1000V±50 V; 4、 输出功率： 2200W; 5、 开关频率： 23.4kHz; 6、 纹波： 52.5%。 3.1数字式开关电源主电路设计 数字控制开关电源包括电源功率和数字控制两大部分。电源功率部分主要由 半导体功率器件、整流滤波器件组成；而数字控制部分通过数字控制单元构成反 馈控制回路。该数字控制开关电源总体电路如图 3-1所示。 QiJp Cl c T