1 前言

利用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)設(shè)計(jì)電源，不但能夠減少電路的元器件，而且可以大大增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，克服電子設(shè)備長期受到供電不穩(wěn)和大噪音的困擾，較傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方式有著明顯的優(yōu)勢(shì)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

⑴更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字芯片的處理和控制，避免模擬信號(hào)傳遞的畸變、失真、減少雜散信號(hào)的干擾;

⑵便于系統(tǒng)調(diào)試;

⑶方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感、遙測(cè)、遙調(diào)。

本文以利用芯片ADMC331設(shè)計(jì)DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源為例介紹數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

2 芯片ADMC331的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ADMC331是美國模擬器件公司(ADI)推出的基于DSP技術(shù)的電機(jī)控制器，它將高性能DSP內(nèi)核ADSP2171與豐富的外圍控制線路集成于單片芯片中,大大簡化了硬件設(shè)計(jì),為用戶快速、高效地開發(fā)控制器創(chuàng)造十分有利的條件。其主要特性如下：

⑴集成了一個(gè)26M IPS(每秒百萬條指令)定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核，它與ADSP-2100數(shù)字信號(hào)處理器系列的代碼完全兼容;

⑵單周期指令執(zhí)行時(shí)間為38.5ns(外接13MHz晶振);

⑶內(nèi)置2K×24位程序存儲(chǔ)器ROM，2K×24位程序存儲(chǔ)器RAM和1K×16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM;

⑷具有一個(gè)三相16位基于中點(diǎn)的脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器，能夠靈活編程產(chǎn)生具有處理器開鎖最小的高精度PWM信號(hào);

⑸有2路8位輔助脈寬調(diào)制(AUXPWM)通道，頻率可編程;⑹有七路Σ-▽型A/D變換通道，最高分辨率為12位，最大采樣頻率可達(dá)32.5KHz;

⑺具有24個(gè)可編程數(shù)字輸入輸出(PIO)口，可單獨(dú)設(shè)置成輸入或輸出，支持狀態(tài)變化中斷;

⑻提供了2個(gè)雙緩沖同步串行口(SPORT0，SPORT1)，用以完成串行通訊和多處理器間的通信;

⑼帶有實(shí)時(shí)中斷的16位看門狗定時(shí)器;

⑽內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM固化了一些實(shí)用程序，方便系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，減少了數(shù)字控制系統(tǒng)的程序計(jì)算時(shí)間。

3 利用ADMC331設(shè)計(jì)DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源

DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)由主電路和控制電路等部分組成，其框圖如圖1所示。

圖1 DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1)主電路

DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的主電路如圖2 所示。主電路采用功率MOSFET管構(gòu)成的交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，M1，M2，D1，D2與副邊拓?fù)錁?gòu)成1#雙管正激變換器，M3，M4，D3，D4與副邊拓?fù)錁?gòu)成2#雙管正激變換器。工作時(shí)，2#變換器的控制脈沖相對(duì)于1#變換器移相了180°，雙路變換器交替工作，向副邊傳輸能量。通過二極管D1，D2或D3，D4向原邊輸入電源回饋能量，實(shí)現(xiàn)鐵芯磁復(fù)位。交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器與單管正激變換器相比，電壓應(yīng)力小，功率管只承受電源電壓，不需要另加磁復(fù)位電路;與全橋或半橋變換器相比，它不存在橋臂直通的危險(xiǎn);此外，交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)使變換器熱分布均勻，提高了可靠性。

圖2 DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的主電路圖

(2)DSP控制系統(tǒng)

DSP是控制電路的核心。控制系統(tǒng)由ADMC331、E2PROM及外圍電路等構(gòu)成最小DSP系統(tǒng)，完成控制、計(jì)算、保護(hù)等功能，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)直流電源真正意義上的全數(shù)字化控制。ADMC331提供PWM控制信號(hào)，經(jīng)隔離后驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管工作。為了保證功率模塊正常安全運(yùn)行,采用一片GAL芯片對(duì)運(yùn)行中系統(tǒng)電流、電壓、異常故障等進(jìn)行檢測(cè)并作出反應(yīng)，通過硬件方式直接封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，提高了系統(tǒng)對(duì)故障響應(yīng)的快速性和可靠性，同時(shí)保護(hù)信號(hào)也通過數(shù)字PIO口送入ADMC331，進(jìn)行軟件查詢、處理和報(bào)警顯示。另外，ADMC331外接一個(gè)存有程序執(zhí)行指令的機(jī)器碼的E2PROM，上電后通過串行口程序自行導(dǎo)入，并且采用MAX232芯片作為TTL與RS232的電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)ADMC331與外界的通訊。

(3)驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接影響系統(tǒng)工作的可靠性和電氣性能，對(duì)于功率MOSFET管采用如圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路。變壓器隔離，電路設(shè)計(jì)大為簡化，抗干擾能力強(qiáng)，具有快速、高性能的特點(diǎn)。

圖3 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4 仿真與試驗(yàn)

采用PSPICE軟件對(duì)主電路進(jìn)行仿真。電路仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入電壓Vin = 12V ，輸出電壓Vo = 100V，功率MOSFET管為IRFP064N (源、漏間導(dǎo)通電阻僅為0.008Ω) ,輸出電感L=50μH ,輸出電容C =4.7μF ,開關(guān)頻率 f=50kHz,工作占空比d=0 .4,高頻變壓器初、次級(jí)匝比n =1∶10,輸出電流Io=2A。

DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流的仿真波形示于圖4。

圖4 (a)DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)輸出電壓的仿真波形

圖4 (b)DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)輸出電流的仿真波形

通過對(duì)設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，DC-DC直流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)運(yùn)行良好。

5 結(jié)語

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)電源產(chǎn)品的高效、可靠及真正意義上的全數(shù)字化控制，提高控制電路的集成度和控制電路乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可塑性。