基于DSP的大功率開關電源設計

引言

信息時代離不開電子設備，隨著電子技術的高速發(fā)展，電子設備的種類與日俱增，與人們的工作、生活的關系也日益密切。任何電子設備又都離不開可靠的供電電源，它們對電源供電質(zhì)量的要求也越來越高。

目前，開關電源以具有小型、輕量和高效的特點而被廣泛應用于電子設備中，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。與之相應，在微電子技術發(fā)展的帶動下，DSP芯片的發(fā)展日新月異，因此基于DSP芯片的開關電源擁有著廣闊的前景，也是開關電源今后的發(fā)展趨勢。

電源的總體方案

本文所設計的開關電源的基本組成原理框圖如圖1所示，主要由功率主電路、DSP控制回路以及其它輔助電路組成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

開關電源的主要優(yōu)點在“高頻”上。通常濾波電感、電容和變壓器在電源裝置的體積和重量中占很大比例。從“電路”和“電機學”的有關知識可知，提高開關頻率可以減小濾波器的參數(shù)，并使變壓器小型化，從而有效地降低電源裝置的體積和重量。以帶有鐵芯的變壓器為例，分析如下：

設鐵芯中的磁通按正弦規(guī)律變化，即φ= φMsinωt，則：

式中，EM= ωWφ M=2πfWφM，在正弦情況下，EM=√2E，φM=BMS，故：

式中，f為鐵芯電路的電源頻率;W 為鐵芯電路線圈匝數(shù);BM為鐵芯的磁感應強度;S為鐵芯線圈截面積。

從公式可以看出電源頻率越高，鐵芯截面積可以設計得越小，如果能把頻率從50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍，這樣可以大大減小電源的體積。

綜合電源的體積、開關損耗以及系統(tǒng)抗干擾能力等多方面因素的考慮，本開關電源的開關頻率設定為30 kHZ。

系統(tǒng)的硬件設計

1、功率主電路

本電源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”變換的結構，主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器、輸人整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成，如圖2所示。

圖2 功率主電路原理圖

其基本工作原理是：交流輸入電壓經(jīng)EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓，通過高頻逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。如圖3所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。

圖3 功軍主回路的電壓波形變化

本開關電源采用半橋式功率逆變電路。如圖2所示，輸入市電經(jīng)EMI濾波器濾波，大大減少了交流電源輸入的電磁干擾，并同時防止開關電源產(chǎn)生的諧波串擾到輸入電源端。再經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點問。P、N之間接人一個小容量、高耐壓的無感電容，起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似，只是其中兩個功率開關器件改由兩個容量相等的電容CA1和CA2代替。在實際應用中為了提高電容的容量以及耐壓程度，CA1和CA2往往采用的是由多個等值電容并聯(lián)組成的電容組。C A1、CA2 的容量選值應在電源體積和重量允許的條件下盡可能的大，以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩。CA1 和CA2 在這里同時起到了靜態(tài)時分壓的作用，使Ua =Uin/2。

在本電源的設計中，采用IGBT來作為功率開關器件。它既具有MOSFET的通斷速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單及驅動功率小等優(yōu)點，又具有GTR的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點。

在IGBT的集射極間并接RC吸收網(wǎng)絡，降低開關應力，減小IGBT關斷產(chǎn)生的尖峰電壓;并聯(lián)二極管DQ實現(xiàn)續(xù)流的作用。二次整流采用全波整流電路，通過后續(xù)的LC濾波電路，消除高頻紋波，減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC濾波電路中的電容由多個高耐壓、大容量的電容并聯(lián)組成，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩(wěn)。

2、 控制電路

控制電路部分實際上是一個實時檢測和控制系統(tǒng)，包括對開關電源輸出端電壓、電流和IGBT溫度的檢測，對收集信息的分析和運算處理，對電源工作參數(shù)的設置和顯示等。其控制過程主要是通過采集開關電源的相關參數(shù)，送入DSP芯片進行預定的分析和計算，得出相應的控制數(shù)據(jù)，通過改變輸出PWM波的占空比，送到逆變橋開關器件的控制端，從而控制輸出電壓和電流。