基于TMS320F28044数字电源设计

[日期：2008-11-19] 来源：今日电子/21IC  作者：闻亭数字系统（北京）有限公司工程师 蔡亮 [字体：大 中 小] 　   什么是数字电源?TI从功能上对数字电源进行了定义：数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供管理和监控功能，并延伸到对整个回路的控制。针对不同领域的应用，TI推出了多款可以实现数字电源产品的DSP处理器，如TMS320F280x系列、TMS320F2801x系列，还有可输出16通道高精度PWM的DSP处理器TMS320F28044。在要求DC通道较多的系统，用28044设计数字电源就显得非常的容易，一颗DSP最多可控制16通道的DC，输出电压任意可编程，极大地增强了电源系的灵活性，同时电源系统将变得非常智能和可控。本文主要探讨如何基于TMS320F28044设计多通道的DC/DC电源。
系统框架
图1展示了基于C2000DSP设计的多通道DC/DC数字电源系统框架，DC/DC的拓扑结构一般为典型的BUCK电路或者同步BUCK电路，输出电压经电阻网络采样后直接送到DSP的ADC端口，DSP内部对该值采样，然后和系统的给定值做比较，比较后的误差值经过PID调解器得到每个通道的占空比，这样每路BUCK电路都形成一个闭环系统。同时一些外设接口如RS232、I2C，DSP通过这些接口可以与上位机实现数据交换，或者通过I2C接口来遵循PMBUS协议，组成智能数字电源系统。 高精度PWM 图1 基于C2000数字DC/DC系统框架
TMS320F28044提供高达16路的高精度PWM波。理论上，PWM波在系统主频100MHz下最高可以得到10ns的分辨率，但是作为DC/DC变换器，如果要得到精度高、纹波小的直流输出电压，那么就需要更高的开关频率和更高的PWM分辨率。TMS320F28044内部提供一个微边沿控制器，可以输出最小150ps的PWM。设系统的主频为100MHz，PWM波的频率为200kHz，占空比需要输出50.1%，如果仅仅使用普通的PWM波输出，那么周期值设为5000，COMPA的值设为250，最高为2500个ns ,占空比就为50%，设为251，占空比就为50.2%。那么如何才能最大限度的得到接近于50.1%的占空比呢，这就需要用到高精度PWM波，COMPA的值设为250，接下来需要再产生5ns的高电平，CMPAHR设为32，32×150=4.8ns，占空比为50.096%，CMPAHR设为33，33×150=4.95ns，占空比就为50.099%，CMPAHR设为34，34×150=5.1ns，占空比为     50.102%，由此可见当CMPAHR设为33时，占空比的误差仅为0.001%，如果不使用高精度的PWM波，误差就为0.1%。可见通过使用高精度的PWM波，可以把误差缩小两个数量级。如果使用它来控制数字电源的话，可以大大提高数字电源的控制精度。 BUCK环路拓扑 图2 基于BUCK的数字控制拓扑
图2展示了基于BUCK电路的DC/DC数字控制拓扑，Q1、二极管、L、C、R组成了BUCK降压型变换器，输出电压经过调理电路转换成0～3V的电压信号送到DSP的内部ADC，ADC的输出与参考电压比较之后得到误差信号E，E再经过电压环的控制器GC得到调整后的BUCK调解器占空比U，U作为片内PWM模块输出的计算因子，生成相应占空比的PWM信号，PWM信号再经过驱动电路驱动功率开关管的导通，得到期望的输出电压。整个过程全部通过DSP内部的数字控制，通过设置合适的PID参数，可以得到很好的动态特性。 数字采样 图3 DC/DC变换器数字采样原理
数字控制中采样时刻的选取对控制策略有着很重要的意义。图3展示了在DC/DC变换器中如何合理的设置ADC的转换时刻，以期得到准确的采样值。上图中T1生成对称模式的PWM波，T1的比较寄存器可以用来存放需要生成的PWM波的占空比，通过改变比较寄存器的值，就可以得到期望占空比的PWM波。在本例中ADC的控制寄存器设置的转换触发发生在ADC上升沿的中间处，也就是开关管导通的中间时刻，ADC转换完成之后,将会触发一个中断，在中断服务子程序中，用户程序从ADC的结果寄存器中读取AD的转换结果，执行数字控制器，更新PWM波的输出占空比，新的PWM波有效发生在下一个周期。在图3可以看出，从控制器执行完PWM波更新到下个ADC中断触发来临，这中间有很多空闲时间，这就意味着如果系统得带宽足够的话，在这中间可以加入更多的控制器来控制多路的DC/DC变换器。在Background Loop中可以执行其他的用户程序如通信等。 PID控制
TI提供的数字电源开发包中有控制器的算法宏，该宏在ControlLawMacro.h头文件中，是基于一个2P/2Z传递函数： PID离散化的表达式如下所示： 2P/2Z传递函数： 可见，PID只是2P/2Z的一个特例，A1=-1和A2=0
那么PID的系数就如下所示：
Coef2P2Z_1[0] = Dgain * 67108                            // B2
Coef2P2Z_1[1] = (Igain - Pgain - Dgain - Dgain)*67108      // B1
Coef2P2Z_1[2] = (Pgain + Igain + Dgain)*67108              // B0
Coef2P2Z_1[3] = 0; // A2
Coef2P2Z_1[4] = 67108864;                               // A1
Coef2P2Z_1[5] = Dmax[1] * 67108; // Clamp Hi limit (Q26)
Coef2P2Z_1[6] = 0x00000000; // Clamp Lo
用户可以通过定义或者改变Pgain、Igain、Dgain、来实现控制算法的调节。为方便调试，在CCS中可以将上述的参数做成进度条，通过滑动进度条的方式来实现系统的实时调试。 软件框架
软件框架如图4所示。 图4 软件框架 设计实例
设计实例如图5所示，本设计有以下特点： 图5 设计实例
● 采用子板加母板的连接方式
● 子板基于TMS320F28044控制器
● 母板载有10路典型BUCK电路，每路最大负载电流1A
● 任意一路电压软件可编程，编程范围最大不超过5V
● 可动态改变参考电压
● 可动态改变系统的PID参数，调试系统动态性能
● 可配置成高精度PWM和普通PWM输出两种方式