基于数字化控制的开关电源的研究

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管理模式，我们提出了以下两种方案。

2．1基于单片机控制的开关电源

随着电子技术的迅猛发展和超大规模集成电路设计的进一步提高，单片机技术也得到了迅速发展，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，并取得了巨大的成果。利用单片机作为控制核心，设计方法容易掌握，而且对单片机的要求不高，成本比较低。该方案采用单片机通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制。其原理结构如图2

其中：单片机采用MCS51；A／D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，只能在程序中模仿SPI的操作方式对TLC2543进行操作，因而程序要复杂一些。D／A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，使程序从头开始工作；具有512字节的EPROM存储单元，用来存放各种重要数据，以备交流后重要数据丢失；外接有串口，通过电平转换连接RS-485或者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，虽然控制电路比较复杂，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，成本也比较低，设计方法容易掌握，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。

2．2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较高的采样速度（TMS320LF2407内部的10、位A／D转换器完成一次A／D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结构如图3。

其中：DSP采用目前流行的TMS320LF2407，主要进行数字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，这样避免了模拟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、温度等数据的采集，芯片可采用TLC5540芯片，也可采用TLC2543芯片，通过此AID转换电路采集的电压等信号，经数据总线低八位进入DSP，与标准正弦波信号进行比较，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，从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、键盘进行人机交换以及通过串口RS-485或RS一232进行数据的通信等。

这种基于信号处理数字的开关电源，虽然DSP芯片结构复杂，成本比较高，而且DSP控制技术相对较难掌握，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 结束语

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，降低成本，大大提高了设备的可靠性和对用户的适应性，是今后开关电源发展的一种趋势。目前，在通信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。