1、皖西学院本科毕业论文（设计） 基于 DSP 的反激式数字开关电源的设计 摘要： 开关电源具有体积小、效率高等非常多的优越性，在微型计算机、通讯电源、家用电器等领域中得到了广泛的应用。采用模拟控制方式的开关电源存在参数温度漂移、抗干扰能力差、可配置性不强等诸多缺点。随着微电子技术的不断发展，开关电源的数字化研究己成为开关电源的热点。 本文研究与开发了一种基于 DSP 的反激式数字开关电源，阐述了开关电源的基本原理，应用状态开关平均法建立其大信号模型。在此基础上，结合设计指标，详细探讨了基本参数的选取原则，如滤波电容、高频变压器、 开关应力、吸收电路结构和参数，这是开发出满足用户需求且具备较高性价
2、比产品的重要环节。在硬件方面，为了保证输出性能优越和隔离要求，应用高精度线性光祸设计了输出电压采样电路 ;为了系统安全可靠的运行，设计了度检测环节，防止器件过温失效 ;为了调试和应用的方便，开发了基于 LCD的友好人机接口。在控制策略方面，为了保证系统的动态性能和鲁棒性，本设计采用模糊 PID 控制算法，在系统小信号模型的基础上，设计了模糊规则表，利用查表法选取参数，减小了算法的复杂度。为了克服开关干扰，设计了 EMI 滤波器，同时对系统抗干扰设计也进行了 详细的阐述。 关键词： 反激式开关电源 DSP 模糊 PID 皖西学院本科毕业论文（设计） Based On the DSP Flybac
3、k Digital Switching Power Supply Design Abstract :Switching power supply has the advantages of small volume, high efficiency advantages, in the micro computer, household appliances, communication power supply and other fields have been widely applied in. Analog control mode switching power supply te
4、mperature drift, poor anti-interference ability is not strong, can be configured. With the development of microelectronics technology, switching power supply switching power supply digital design has become a research hot spot. In this paper, the research and development of a DSP based flyback digit
5、al switching power supply, switching power supply is introduced. The basic principle, application status switch average method to build the large signal model. On this basis, combined with the design target, discussed the basic principle of selecting the parameters, such as the filter capacitor, swi
6、tch stress, high frequency transformer, absorbing circ uit structure and parameter, which is developed to meet user needs and have a high cost-effective products an important part. In the hardware aspect, in order to ensure superior output performance and isolation requirements, application of high
7、precision linear optical woe designed output voltage sampling circuit; in order to safe and reliable operation of system, design of detecting, preventing device over-temperature failure; for the convenience of debugging and application, development of the friendly man-machine interface based on the
8、LCD. In the control strategy, in order to ensure the system dynamic performance and robustness, the design of the fuzzy PID control algorithm, the system small signal model based on fuzzy rule table, design, using look-up table method to select parameters, reduce the complexity of algorithm. In orde
9、r to overcome the interference of switch, EMI filter is designed, the system anti interference design in detail. Key words: Flyback switching power supply DSP Fuzzy PID 皖西学院本科毕业论文（设计） 目录 1 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景及意义 . 1 1.2 开关电源的发展及趋势 . 2 1.3 开关电源数字化研究现状 . 2 1.4 本文主要研究内容及章节安排 . 3 2 开关电源设计的技术基础 . 3 2.1 开关
10、电源概述 . 3 2.1.1 开关电源的基本组成 . 3 2.2 开关电源的模拟控制方法 . 4 2.3 开关电源的数字控制方法 . 7 2.3.1 开关电源数字控制的优势 . 7 2.3.2 开关电源数字控制的实现方式 . 7 2.4 开关电源的控制算法 . 10 2.4.1 PID 控制算法 .11 2.4.2 控制算法的选择 . 14 2.5 TMS320F2812 简介 . 14 2.6 本章小结 . 15 3 基于 DSP 的反激式数字开关电源的总体设计 . 16 3.1 系统性能指标 . 16 3.2 系 统的硬件设计 . 17 3.2.1 系统硬件方案设计 . 17 3.2.2
11、输出电压检测电路设计 . 17 3.2.3 电流检测电路 . 19 3.2.4 驱动电路设计 . 20 3.2.5 温度检测电路 . 20 3.2.6 液晶显示模块接口 . 21 3.2.7 EMI 滤波器 . 23 3.2.8 抗干扰措施 . 25 3.3 系统软件设计 . 27 3.3.1 系统软件设计方案 . 27 3.3.2 主程序设计 . 27 3.3.3 A/D 中断子程序 . 27 3.3.4 辅助功能模块子程序设计 . 27 3.3.5 系统软件抗干扰措施 . 29 3.4 本章总结 . 30 4 结论 与展望 . 31 4.1 结论 . 31 4.2 展望 . 31 参考文献
12、 . 33 致谢 . 34 皖西学院本科毕业论文（设计） 1 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 随着电力电子技术的高速发展，开关电源得到了广泛应用，日新月异的高科技产品也对开关电源提出了更高的要求。开关电源的模拟控制技术也发展了很多年，各方面都比较成熟，但无法克服其固有的缺点 :采用模拟器件导致器件比较多、分散性大、稳定性较差，控制电路一旦成型很难修改，调试不方便，控制不灵活，难以实现复杂的控制算法等。近年来，市场对数字化开关电源的需求大幅攀升。先进的半导体工艺技术不但使元器件速度更快、体积更小，而且它们还要求更低的供电电压和更高的供电电流 ;与此同时，系统的 功能不断持续提升，而体积和平均
13、售价则不断下降。这些因素迫使开关电源设计者要不断地开发出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小、成本更低和上市时间更短的开关电源产品。 随着数字控制方法、数字控制电路结构的发展和数字化开关电源市场需求的驱动，数字化控制开关电源在电源领域里的优势将会越来越明显。数字开关电源技术为开关电源设计领域注入了新的活力，同时也对开关电源设计人员提出了更高的要求。很多专家学者在对开关电源的主电路进行改进和设计方面取得很多的研究成果和进展，先后推出了各种拓扑结构来解决开关变换器中存在 的问题。这些新的拓扑结构虽然在一定程度上提高了开关电源的系统性能，但这一方面的改进仅限于主电路，其功能必然受到电路中各种电子
14、元器件的限制，使得效果有限。开关变换器在数字控制方面的研究仍然面临很多问题，结合目前开关电源数字化研究面临的问题，本文研究与开发了一种基于 TMS320F2812 的反激式数字开关电源。在硬件研究方面，为了保证输出性能优越和隔离要求，应用高精度线性光藕设计了输出电压采样电路 ;为了系统安全可靠的运行，设计了温度检测环节，防止器件过温失效 ;同时为了调试和应用的方便，开发了基于 LCD 的友好人机接 口。在控制策略方面，为了保证系统的动态性能和鲁棒性，本设计采用模糊 PID 控制算法，并与常规 PID 控制算法进行比较。 本课题的研究意义在于将 DSP 控制技术引入到电力电子的开关电源领域，实现
15、数字化采样、运算、控制输出、系统监控和人机接口等功能。充分发挥 DSP 处理器精度高、速度快等特点，将电力电子与嵌入式技术相结合，以提高开关电源的输出精度、智能度、集成度和系统稳定性。 皖西学院本科毕业论文（设计） 1.2 开关电源的发展及趋势 我国的开关电源己有几十年的发展历史，如今已经走到第 5 代。上世纪 60 年代初开始研制的开关电源是第一代 ，从线性电源刚开始走向开关电源，开关频率很低，成本昂贵，仅用于军事、航空航天等少数领域。 70 年代开始研制无工频降压变压器开关电源是第二代，因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。 80 年代初研制的属第三代，
16、随着电力电子技术与半导体技术的大力发展，我国的许多研究所、工厂及高等院校着手研制多种型号的工作频率在 20kHz 左右，输出功率在 1000W 以下的无工频降压变压器开关电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面， 10多年来取得了较好的效果。在这期间，各种开关电源专用芯片大量问世 ，这种新型节能电源才得到发展。目前，开关频率已从 20kHz左右提高到几百千赫兹甚至兆赫兹。在 90年代中期开始研制的开关电源属第四代，欧盟要求开关电源的设计要考虑来管理开关电源设备，从而提高开关电源系统的可靠性。智能化监控技术的应用，使得维护人员面对的不再是复杂的器件和电路，而是一个人机表达和交流的信息，大大改进
17、了维护管理，同时也大大简化了电子设计工程师的工作。 1.3 开关电源数字化研究现状 在所有的控制功能全部使用数字技术实现之前，开关电源的数字控制器只能达到半数字化阶段。对于控制器中技术难度最高 的功率开关控制部分，仍存在许多技术难点需要解决，这己逐渐成为当今学术界研究的热点。早期，由于数字器件的性能、价格等因素的限制，数字控制技术在开关电源中用得较少。尤其当开关频率达到 100kHz 至数 MHz 的高频时，成本、能耗以及许多具体的技术困难限制了高频开关电源数字控制器的市场化进程，使得价格低廉的模拟控制器仍然主宰着消费开关电源市场。 在过去的二十多年中，基于通用或专用微处理器、数字信号处理器、
18、以及可编程逻辑器件等技术，数字控制技术在诸如电机控制、三相逆变、功率因数校正等电力电子应用领域中得到逐渐普 及。近年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发出来，费用也已降到比较合理的水平，数字控制技术才广泛地应用于开关电源的控制。由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、开关电源动作状态的远距离监测成为了可能。开关电源市场中，从质量、交货期等方面来看，标准开关电源正在成长壮大。然而，开关电源的使用方 EMC(电磁兼容 )，包括 PFc 方面的高次谐波要求，在这同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。瞬态电压抑制器 (Tvs)、压敏电阻器 (TL431)、电磁干扰滤波器 (EM
19、lFilter)、高导磁皖西学院本科毕业论文（设计） 率 磁性材料、由非晶合金制成的磁珠 (magneticbead)等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源推广与普及提供了必要条件。新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关管工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高开关电源工作效率。开关电源作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能数字化和使用环境绿色化的方向发展。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。 1.4 本文主要 研究内容 针对数字开关电
20、源存在输出电压精度低和动态性能差的问题，本文开展基于 DSP 的反激式数字开关电源的设计。通过高性能数字芯片 TMS320F2812 对开关电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样、 A/D 转换和 PWM 输出等工作。由于输出的数字 PWM 信号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。这样就可以简化控制电路的设计，同时芯片有比较高的采样速度 (TMS320F2812 内部的 12 位 AD转换器完成一次 AD转换只需 60ns)和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对开关 电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。 2 开关电源设计的技术基础 一般而言，凡用
21、半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路，转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源。本章将简单介绍有关开关电源的设计技术基础 :开关电源概述、开关电源的控制方法、控制算法及 DSP 芯片简介。 2.1 开关电源概述 2.1.1 开关电源的基本组成 一般地，大致开关电源由输入电路、功率变换电路、控制电路和输出电路四个部分组成。图 2-1 所示为开关电源电路的 基本结构框图。它包括整流滤波电路、 DC-DC 变换器、开关占空比控制器及取样比较电路等模块。 皖西学院本科毕业论文（设计） 图 2-1 开关电源的基本结构框图 开关电源电路有其复杂的
22、电路组成，但是主要的电路组成还是相对固定的，有输入滤波电路、供电电路、控制电路、电压反馈电路、电流检测电路、功率转换电路、误差放大电路和输出滤波电路等。 2.2 开关电源的模拟控制方法 开关电源为了实现高速响应，通常采用模拟电路对其进行控制。模拟控制有其固有的优点，诸如电路成熟、应用方便、实时性好等。所以在对开关电源要求性能不是很高的情况下得 到广泛的应用。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 :脉冲宽度控制方式 PWM、脉冲频率控制方式 PFM 和 PWM-PFM 混合控制方式。 (1) PWM 控制 PWM 控制是用固定时钟频率，通过调节开关管控制
23、信号的占空比 D 实现对输出电压的调整。 PWM 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此 PWM 技术普遍应用于通信技术中。 PWM控制方式根据反馈采样的不同可分为 :电压模式和电流模式。 下面简单介绍 PWM 控制的工作原理，如图 2-8 所示。 (A)图开关电源的主电路拓朴为 Buck电路，锯齿波信号的频率和幅值固定不变，将输出电压与参考电压 UT 通过运算放大器进行比较、放大及反馈得到误差电压，然后由误差电压与锯齿波电压的比较结果产生 PWM 输出，并用来控制开关管 Tr 的导通和截止。图 (B)中 Tr 的
24、导通时间是锯齿波电压发生器的复位点和正向锯齿波与误差电压交点之间的时间。如果 Ue 是误差电压与锯齿波相交点的电压， U是锯齿波电压的幅值，则占空比为 D=Ue/U，若输出电压比要求的电压低，则产生的误差电压大。由D=Ue/U 和图 (B)可知，导通的脉宽加长，输出电压增加，从而达到稳定的目的。反之，当输出电压比要求的电压高，则产生的误差电压小，导通的脉宽变窄，导致输出电压降低，亦能皖西学院本科毕业论文（设计） 达到稳定输出电压的目的。 图 2-8 PWM 控制的工作原理图 集成的 PWM 控制器主要有 TL494、 SG3524、 SG3525A、 UC3842 和 UC3846 等。 (2
25、) PFM 控制 PFM 控制是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。保持开关管的导通时间Ton 一定，而改变其截止时间 Toff 来稳定输出电压的。在电路设 计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器 (例如压控振荡器 vco)改变频率。具有 PFM 控制的开关电源的结构框图如图 2-9 所示。 PFM 控制的基本原理是 :当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。波形如图 2-10 所示。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载。 PFM 控制模式的主要缺点是开关周期成
26、为负载的函数，开关转换器显得比较无序，并且开关噪声无法预测，负载调整范围窄，滤波成本高。这在无线通信领域就不 是很合适。但是，在很多待机的情况下，选择 PFM 是非常合适的。比如，便携式移动系统在接收发送信号时，选择 PWM 工作模式，因为 PWM 开关噪声频谱比较好控制，在待机的情况下，选择 PFM 工作模式，就可以提高系统的效率。目前 PFM 控制方式在开关电源中使用己经比较普遍，可以实现快速的上升时间和输出电压超调量的消除，具有以下优点 :具有较小的静态电压，静态功耗很小，在轻负载时的输入电流比 PWM 控制小 10 至 100 倍，效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。具有
27、PFM 功能的集成芯片有 MAX641、 TL497、 UC1864 等。 皖西学院本科毕业论文（设计） 图 2-9 PFM 控制的开关电源的结构框图 图 2-10 PFM 控制方式波形图 (3) PWM-PFM 混合控制方式 PWM 控制是靠改变开关管的导通时间 ton。与周期 T(周期不变 )之比来稳定输出电压的，PFM 控制是保持开关管的导通时间 ton。一定，通过改变其截止时间 toff来稳定输出电压的。而 PWM-PFM 控制则是靠改变 ton。和 toff两个参数 (T=ton+toff也同时变化 )来实现输出电压的稳定。应该说脉冲频率控制 (PFM 升脉冲宽度控制 (PWM)混合
28、控 制电路是突破传统的一个近乎完美的结合。采用 PFM-PWM 混合控制方式的开关电源，当输入电压较低时执行 PWM 控制模式 ;而输入电压较高时切换至 PFM 控制模式。 传统的开关电源采用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点 : （ 1）因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降 ; （ 2）由于人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统的一致性差 ; （ 3）器件老化及热漂移问题的存在，导致电源输出性能下降，甚至导致输出失败 ; （ 4）产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制开关电 源，若不改动硬件，升级是不可能的，每一个新型的开关电源都要求
29、重新设计、制造控制系统 ; 皖西学院本科毕业论文（设计） （ 5）模拟控制的开关电源的监控功能有限，一旦出现故障，要想恢复正常，技术人员必须亲赴现场。 2.3 开关电源的数字控制方法 2.3.1 开关电源数字控制的优势 数字化已成为信息社会主流的今天，电力电子的数字化控制也是势不可当的。随着大规模集成电路 ASIC、现场可编程逻辑器件 FPGA 及数字信号处理器 DSP 技术的发展，开关电源的控制逐渐由模拟控制转向数字控制，即向数字化方向发展。开关电源实现数字化可带来以下优势 : (1)数字控制易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得开关电源的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自
30、动控制的最新发展阶段，继承了人脑的定性、变结构、自适应等思维模式，也给电力电子控制带来了一条崭新的思路。在高频开关工作状态下，开关电源的模型更加复杂化，使得模拟控制或经典控制理论难于对其进行精确建模和控制，采用先进、复杂的智能控制策略，可以从根本上提高系统的性能指标。 (2)控制系统灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期。数字控制系统的 控制方案集中体现在控制程序上，而微处理器一般都具有丰富的片内外资源。硬件资源配置确定后，只需要通过修改控制软件，就可以提高原来的控制系统性能，或者根据不同的控制对象实时、在线更换不同的控制策略软件。 (3
31、)控制电路的元器件数量明显减少，因此缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力。 (4)控制系统的可靠性提高，易于标准化。由于数字控制的高可靠性，必然使整个控制系统的可靠性得到提高，而且可以针对不同的系统 (或不同型号的产品 )，采用统一的控制板，只是对控制软件作一些调整即可，这对于生产厂家而言，无疑 有着巨大的吸引力。 (5)系统的一致性较好，生产制造方便。由于控制软件不会像模拟器件那样存在差异，所以，对于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也没有模拟系统中模拟器件调试带来的差异问题。这样，同一型号控制板的性能一致性就会比模拟系统高很多。 2.3.2 开关电源数字控制的实现方式 开关电源的数字控制方式是针对模拟控制存在的固有缺点而发展起来的，也形成了一系列的控制方式，主要有 3种 :单片机控制、 DSP 控制和 FPGA 控制。 （ 1）单片机控制
