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基于数字化控制的开关电源的研究fenghy导语：结合当前开关电源的控制技术，给出了基于单片机控制和基于DSP控制的两种数字化开关电源，分析比拟了它们的优缺点和应用场合摘要：结合当前开关电源的控制技术，给出了基于单片机控制和基于DSP控制的两种数字化开关电源，分析比拟了它们的优缺点和应用场合。关键词：开关电源；模拟控制；数字控制；DSP开关电源被誉为高效节能型电源。传统的开关电源采用模拟控制技术，使用比拟器、误差放大器和模拟调变器等元器件来调整电源输出电压。模拟控制方法只适用于频率高、电力小、功能少的开关电源，且存在控制电路复杂、元器件多以及控制电路一旦成型很难修改等缺点，不利于开关电源的集成化和小型化。开关电源的数字化控制技术可以较好地解决这些问题。本文介绍了开关电源的数字化控制技术，并给出了基于单片机控制和基于DSP控制开关电源的两种模型，分析和比拟了两者的优缺点以及应用场合，如今介绍如下。1开关电源模拟控制和数字控制的比拟11开关电源模拟控制的种类与特点开关电源的模拟控制方法已经使用了数十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3种：脉冲宽度调制方式PWM、脉冲频率调制方式PFM和昆合调制方式。图1为脉宽调制式PWM开关电源，AC220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压U，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2，获得所需要的直流输出电压U0。利用误差放大器和PWM比拟器构成闭环调节系统。这种模拟控制电路由于使用元器件多而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随着使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，并对系统稳定性和响应才能造成负面影响，不利于模拟系统的测试和维修。另外，模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法为所有电源值或者负载点提供最优化的控制响应。12开关电源数字控制的特点与应用所谓电源的数字控制，也称为“回路内部的处理器，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法。它必须对两个数字串进展比拟以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比拟器。它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息加传至系统。数字控制电源系统有以下特点：1以数字信号处理器DSP或者单片机为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。2采用“整合数字电源技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。3高集成度，实现了电源系统单片集成化，将大量的分立元器件整合到一个芯片或者一组芯片中。4能充分发挥数字信号处理器及微控制器的上风，使所设计的数字电源到达高技术指标。这种技术可用于负载时间恒定的应用中，使电源运行在高频状态，如功率因数校正、非中断电源、多个化学电池译电和电机控制；还可用于采用假设干可配置的PWM内核及控制、诊断和接口电路的手机以及PDA的PMU等其他应用。运行时间控制电路中的子电路或者外设可为其电流状态提供最适宜的运行电压，以节能。数字电源控制可使调节器更加灵敏。2基于数字控制技术开关电源的方案结合当前的数字控制技术和流行的电源治理形式，我们提出了以下两种方案。21基于单片机控制的开关电源随着电子技术的迅猛开展和超大规模集成电路设计的进一步进步，单片机技术也得到了迅速开展，已经在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、汽车电子、机电一体化等方面得到了广泛的应用，并获得了宏大的成果。利用单片机作为控制核心，设计方法轻易把握，而且对单片机的要求不高，本钱比拟低。该方案采用单片机通过外接AD转换芯片进展采样，采样后对得到的数据进展运算和调节，再把结果通过DA转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制。其原理构造如图2其中：单片机采用MCS51；AD转换器采用TLC2543芯片，该芯片的接口方式采用串口，这种方式相对于并口方式，具有接口简单，便于扩展，体积小的特点。TLC2543的接口是典型的SPI接口，它与MCS51单片机相连接时，其硬件电路非常简单。但由于MCS51没有标准的SPI接口，只能在程序中模拟SPI的操纵方式对TLC2543进展操纵，因此程序要复杂一些。DA转换器采用TLC5615芯片与MCS51连接，同样接口也采用串行方式。“看门狗Watchdog为单片机提供上电复位信号，当程序紊乱或者电压失常时启动内部的“看门狗电路强迫单片机复位，使程序从头开场工作；具有512字节的EPROM存储单元，用来存放各种重要数据，以备沟通后重要数据丧失；外接有串口，通过电平转换连接RS-485或RS-232，实现了开关电源与上位机的信号传输；LCD、键盘接口电路实现了人机交换。基于单片机的数字电源这种方法，固然控制电路比拟复杂，并且存在一定的延时，对电源的动态性能和稳压精度有一定影响，但由于该方法对于单片机的要求不高，本钱也比拟低，设计方法轻易把握，因此可以在稳压精度和动态性能要求并不是很高的场合下使用。22基于数字信号处理控制的开关电源利用高性能的DSP数字芯片对电源实现直接控制，可以简化控制电路的设计，再加上这些芯片有比拟高的采样速度TMS320LF2407内部的10、位AD转换器完成一次AD转换只需500ns和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法I。基于DSP控制的开关电源原理构造如图3。其中：DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要进展数字PID计算；复杂可编程逻辑器件CPLD根据DSP计算的结果生成数字PWM波形控制主功率变换器，这样防止了模拟PWM控制器中的双脉冲现象和半频现象，实现了PWM控制的完全数字化；AID转换电路用作电压、电流、温度等数据的收集，芯片可采用TLC5540芯片，也可采用TLC2543芯片，通过此AID转换电路收集的电压等信号，经数据总线低八位进入DSP，与标准正弦波信号进展比拟，当检测到输出电压幅度高于标准正弦波信号时，按比例降低占空比，进而实现对开关电源输出正弦波和幅度的调DSP通过接口电路还可以扩展LCD、键盘进展人机交换以及通过串口RS-485或者RS一232进展数据的通讯等。这种基于信号处理数字的开关电源，固然DSP芯片构造复杂，本钱比拟高，而且DSP控制技术相对较难把握，但由于芯片具有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度，因此，这种方式将会在今后开关电源的数字控制技术中发挥重要作用。3完毕语开关电源采用全数字化控制技术，可以有效地缩小电源体积，降低本钱，大大进步了设备的可靠性和对用户的适应性，是今后开关电源开展的一种趋势。目前，在通讯领域已经得到了较好地应用。该文给出的基于数字控制技术开关电源的两种方案，适用于不同的环境，我们可以根据采样速度、运算速度和控制算法复杂度等因素选择不同的方案。