基于數字化控制的開關電源的研究

　0 引言

　　開關電源被譽為高效節能型電源。傳統的開關電源采用模擬控制技術，使用比較器、誤差放大器和模擬調變器等元器件來調整電源輸出電壓。模擬控制方法只適用于頻率高、電力小、功能少的開關電源，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，不利于開關電源的集成化和小型化。開關電源的數字化控制技術能夠較好地解決這些問題。本文介紹了開關電源的數字化控制技術，并給出了基于單片機控制和基于DSP控制開關電源的兩種模型，分析和比較了兩者的優缺點以及應用場合，現在介紹如下。

　　1 開關電源模擬控制和數字控制的比較

　　1．1開關電源模擬控制的種類與特點

　　開關電源的模擬控制方法已經使用了數十年，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）開關電源，AC220V輸入電壓經過整流濾波后變成直流電壓U，再由功率開關管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隨著使用時間、溫度和其他環境條件的變化而變動，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，因此無法為所有電源值或負載點提供最優化的控制響應。

　　1．2開關電源數字控制的特點與應用

　　所謂電源的數字控制，也稱為“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。它必須對兩個數字串進行比較以產生脈沖寬度來驅動電源開關，而不是使用傳統模擬PWM比較器。它會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，然后將新產生的控制信息加傳至系統。

　　數字控制電源系統有以下特點：

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

　　（2）采用“整合數字電源”技術，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。

　　（3）高集成度，實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芯片或一組芯片中。

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

　　這種技術可用于負載時間恒定的應用中，使電源運行在高頻狀態，如功率因數校正、非中斷電源、多個化學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。運行時間控制電路中的子電路或外設可為其電流狀態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 基于數字控制技術開關電源的方案

　　結合當前的數字控制技術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關電源

　　隨著電子技術的迅猛發展和超大規模集成電路設計的進一步提高，單片機技術也得到了迅速發展，已經在智能儀器儀表、工業檢測控制、電力電子、汽車電子、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外接A／D轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數據進行運算和調節，再把結果通過D／A轉換后傳到PWM芯片中，實現單片機對開關電源的間接控制。其原理結構如圖2。

　　其中：單片機采用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，具有接口簡單，便于擴展，體積小的特點。TLC2543的接口是典型的SPI接口，它與MCS51單片機相連接時，其硬件電路非常簡單。但由于MCS51沒有標準的SPI接口，只能在程序中模仿SPI的操作方式對TLC2543進行操作，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。“看門狗”（Watchdog）為單片機提供上電復位信號，當程序紊亂或電壓失常時啟動內部的“看門狗”電路強迫單片機復位，使程序從頭開始工作；具有512字節的EPROM存儲單元，用來存放各種重要數據，以備交流后重要數據丟失；外接有串口，通過電平轉換連接RS-485或者RS-232，實現了開關電源與上位機的信號傳輸；LCD、鍵盤接口電路實現了人機交換。

　　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，對電源的動態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態性能要求并不是很高的場合下使用。

2．2基于數字信號處理控制的開關電源

　　利用高性能的DSP數字芯片對電源實現直接控制，可以簡化控制電路的設計，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，可以快速有效地實現各種復雜的控制算法I。基于DSP控制的開關電源原理結構如圖3。

　　其中：DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要進行數字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，通過此AID轉換電路采集的電壓等信號，經數據總線低八位進入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，從而實現對開關電源輸出正弦波和幅度的調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一232進行數據的通信等。

　　這種基于信號處理數字的開關電源，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，但由于芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現各種復雜的控制算法，實現對電源的有效控制，有較高的動態性能和穩壓精度，因此，這種方式將會在今后開關電源的數字控制技術中發揮重要作用。

　　3 結束語

　　開關電源采用全數字化控制技術，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的適應性，是今后開關電源發展的一種趨勢。目前，在通信領域已經得到了較好地應用。該文給出的基于數字控制技術開關電源的兩種方案，適用于不同的環境，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。