1、基于 DSP 单芯片的多路电源研究中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号： 本研究揭示了一种基于 DSP单芯片的多路电源的原理。电源中包含ZIGBEE无线模块，DMX512 模块，以一片 DSP芯片输出的 8路 PWM信号管理 8路开关电源的 MOSFET，通过 AD功能采集电源的电流信号实现闭环反馈，电源采用高效率的 BUCK模式。非常适合于大功率 LED路灯、隧道灯上使用。此电源具有监测灯具温度，实时调节电流，监测 LED的电流功能，从而我们可以根据实际的照明要求来调节灯光的亮度，也可以通过通讯模块将灯具的运行情况实时的回传到数据管理中心。方便了路灯、隧道灯的管理，降低了维护成本，
2、节约了大量的电费。 一种基于 DSP高性能的多路电源，其特征在于，所述系统包括至少一个高性能 DSP芯片，至少一个基于 ZIGBEE协议的无线传输模块；电源的输入电压采用安全电压 DC48V,电源的拓扑结构采用高效率的 BUCK方式。根据权利要求 1所述的高性能 DSP芯片，其特征在于：DSP 芯片至少有 8路 PWM寄存器，9 路 AD转换功能口，1 路 UART接口，以及相关的一些通讯 GPIO口，8 路 PWM可以控制 8路电源的开关器件，9 路 AD转换功能口中的 8路作为电源检测信号使用，一路检测电源的温度使用，UART口作为 ZIGBEE模块通讯使用 根据权利要求 2所述的 8路
3、PWM控制，其特征在于：使用 DSP 的PWM来管理开关电源的开关器件，从而可以不使用电源管理芯片，可以根据电源的输出反馈来实时的控制开关频率。 基于 DSP单芯片高性能 LED灯具电源 技术领域 本研究涉及大功率的 LED灯具数字电源，涉及一种新的 LED照明电源的管理系统， 技术背景 目前路灯照明所采用光源有白炽灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯等，这些灯存在不环保（含有汞、铅、砷等重金属物质对环境有害） 、高能耗、短寿命等缺点，所以，伴随着全球性环保意识的增强，在世界各国，尤其是发达国家和地区，绿色照明的应用将越来越普及，这些路灯将逐渐被绿色环保的光源所取代。大功率高亮度电力
4、LED 是一种高效、节能、发光寿命长的绿色环保光源，对于保护环境、节约能源、保护人类健康都具有重大意义。而调节高亮度电力 LED 的亮度是通过调节流过 LED 的电流来实现，所以对 LED 路灯的亮度控制一般通过控制 LED 驱动电路的输出电流来实现。目前，在高亮度 LED 路灯驱动器领域，国内外应用较广的主要有“采用专用电源芯片”和“采用分立元件的开关电源”两种主要的技术解决方案，而为了“智能化”的需要，通常在这两种方案的基础上加入单片机作为系统管理的主控芯片，所以这两种解决方案可以归结为“系统管理 + 电源控制”的“传统多芯片技术方案” ，存在使用芯片多、硬件结构复杂的缺点，特别是当需要在
5、一个LED 路灯驱动器需要驱动多路高亮度 LED 串时，这种缺点尤为突出。 而在 2009 年 4 月份，赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor Corporation)宣布推出了集成嵌入式功率控制器的PowerPSoC 系列产品，这是业界首款可同时控制和驱动大功率 LED 的单芯片解决方案，将四路恒流调节器和 MOSFET 与赛普拉斯的 PSoC 可编程片上系统集成在一起，组成一款专用的集成芯片，提高了系统的集成度，但同时也牺牲了系统硬件设计的灵活性，而当一个驱动器需要驱动大于四路 LED 串时，这种专用集成芯片的局限性亦将随着驱动路数的增加而越来越明显。针对“传统方
6、案”中需要使用多颗芯片（主控芯片加多颗电源芯片） 、硬件设计复杂以及现有专用集成单芯片技术方案不易扩展硬件的现状，本方案将系统管理及电源控制进行功能整合，提出了基于Piccolo MCU 的低成本单芯片电源解决方案。 研究内容 新型 PiccoloTM F2802x/F2803x MCU 采用最新的架构技术成果及增强型外设，其封装尺寸最少为 38 引脚，能够在低成本的应用中带来 32 位实时控制功能的优势。实时控制通过在诸如太阳能微型逆变器、LED 照明、大型家用电器以及混合动力车载电池等工业、消 费类及车载应用中实施高级算法，从而可实现更高的系统效率与精度。 Buck 型开关电源是被广泛应用
7、的电源解决方案之一，通过选择合适的输出电感及开关 频率，便可以使系统工作在电感电流连续的模式； 基于 TMS320F28027 的 LED Lighting Demo 则是根据 Buck 型开关电源原理，充分利用 TMS320F28027 片上 PWM（多达 8 路 PWM 输出）及ADC（多达 16 通道 ADC）等外设资源并结合相应的控制算法实现电流的闭环控制。 图 1.1 所示为系统的框图，系统包括主控芯片（TMS320F28027） 、驱动电路、开关元件、反馈网络、储存系统配置信息的片外存储器、数据采集接口及系统扩展接口等七个模块。主控芯片上电复位后从片外存储器中加载 LED 亮度、亮
8、灭时段、亮灭方式等参数的设定值 作为控制参数，通过对这些控制参数及反馈量（包括数据采集接口所采集的电网电压、环境亮度、系统温度等参数）的算法处理，得到 PWM 信号的频率及占空比，进而输出 PWM 信号，PWM 信号经过驱动电路放大后则用于驱动开关电源中的开关元件，使系统对高亮度 LED 路灯进行供电，而 LED 路灯两端的电压大小及流过 LED 路灯的电流大小则通过反馈网络馈送回主控芯片，以实现对控制效果的校正。系统提供的扩展接口，用以与其他外设模块进行数据交互，以方便在实际应用中对驱动器的功能进行扩展，如通过扩展接口挂载 Zigbee 或 GPRS 模块，以实现对驱动器的组网管理及远程维护
9、。 主控芯片的软件结构图如图 1.2 所示，主程序中主要运行三个任务，其中任务 1 主要负责扩展接口管理，任务 2 负责系统控制参数的读取、更新等维护工作，并将系统控制参数转换为控制算法运算所需要的参考值，任务 3 负责采集电网电压、环境亮度及系统温度等数据；而中断服务函数则主要用于完成实时性要求较高的“电源控制”工作，包括电源反馈量数据的采集、控制算法运算及电源输出控制等。 常用的控制算法有很多种，而比较经典的就属 PID 算法了。在实际应用中 PID 算法的实现又分直接计算法和增量算法两种，这里所谓的增量算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，也就是说，在上一次的控制量
10、的基础上需要增加（负值意味 着减少）控制量，例如对于占空比控制的调光系统，就是 PWM 控制信号占空比还需要增大或减小的量。根据具体的应用适当选择采用哪一种算法，但基本的控制方法、原理是完全一样的，直接计算法得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制的差就是增量，基于 TMS320F28027 的 LED Lighting Demo 系统采用的算法框图如图 1.3 所示。图 1.4 所示为单芯片解决方案的应用实例电路之一，图中的 U1 为系统管理及电源控制的主控芯片 TMS320F28027，D1、C2、L1、Q1、R7 则组成了一个简单的 Buck 型开关电源， Q1 是 N 沟道的开关管，U3
11、 是实现驱动电平转换的逻辑缓冲器，R7、R4、R5、R6、C3、C4、A1 则组成一个电流反馈网络，U2 是用于存储系统配置信息的片外 E2PROM 存储器，而 A2 及其外围元件则是电网电压/LED 亮度/温度等的检测电路。在系统上电复位后 MCU 从外部存储器 U2 中读取系统的配置信息，如每路 LED 的驱动电流大小、亮灭时段、亮灭方式等，然后将这些系统配置信息用于 LED 串的驱动控制。Zigbee 模块 M1 通过图 3 中的扩展接口 Rx 及 Tx 与 MCU 进行数据交互，通过 Zigbee 模块 M1 对 LED 路灯驱动器实现组网管理，以及远程维护。由图 1.4 分析可知，一
12、片带多个 PWM 模块及 ADC 模块的主控芯片可以驱动多路 LED 串输出（图中只画出一路 LED 串的驱动电路） ，从而可以省去多颗电源芯片，同时主控芯片还承担着整个系统的管理工作，如电网电压检测、LED 亮度检测、 LED 散热片温度检测以及与 Zigbee 模块 M1 的通信等，可见，当需要设计多路 LED 串的驱动器时，采用本单芯片解决方案，可以化繁为简，更有效地解决应用需求。 研究有益效果 基于 TMS320F28027 的高亮度 LED 驱动单芯片解决方案，将系统管理及电源控制合二为一，降低了硬件设计的复杂程度，同时又兼顾了驱动输出路数设计的灵活性，可通过改变控制芯片外围的存储器
13、中的内容，实现对 LED 电流大小、亮灭时段、亮灭模式、环境亮度 及系统温度等控制参数的定制，还可通过 MCU的数据接口对系统进行组网管理和远程维护。 基于 TMS320F28027 的高亮度 LED 驱动单芯片解决方案具有以下优势： 低成本单芯片解决，省去专用的恒流芯片，有效地降低了系统成本 高效率非隔离开关电源，没有变压器的漏磁损耗，转换效率高，系统满载时整体效率高达 95 驱动能力强8 路非隔离恒流驱动输出，可驱动 8 串（每串不少于 14 个）LED，总输出功率不低于 100W 控制灵活采用高性能 DSC 作为控制核心，可充分发挥 32 位实时控制功能的优势，每路 LED 的电流大小、亮灭方式等均可独立控制 扩展性好预留温度、亮度、色温等检测接口，支持串口、I2C 等数据接口，为系统集成做好了铺垫（如对 LED 路灯进行 Zigbee 组网、扩展 GPRS 模块等） （图 1.4）
