0 引 言
信息时代离不开电子设备,随着电子技术的高速发展,电子设备的种类与日俱增,与人们的工作、生活的关系也日益密切。任何电子设备又都离不开可靠的供电电源,它们对电源供电质量的要求也越来越高。
目前,开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于电子设备中,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。与之相应,在微电子技术发展的带动下,DSP芯片的发展日新月异,因此基于DSP芯片的开关电源拥有着广阔的前景,也是开关电源今后的发展趋势。
1 电源的总体方案
本文所设计的开关电源的基本组成原理框图如图1所示,主要由功率主电路、DSP控制回路以及其它辅助电路组成。
开关电源的主要优点在“高频”上。通常滤波电感、电容和变压器在电源装置的体积和重量中占很大比例。从“电路”和“电机学”的有关知识可知,提高开关频率可以减小滤波器的参数,并使变压器小型化,从而有效地降低电源装置的体积和重量。以带有铁芯的变压器为例,分析如下:
图1 系统组成框图
设铁芯中的磁通按正弦规律变化,即φ= φMsinωt,则:
式中,EM= ωWφ M="2"πfWφM,在正弦情况下,EM=√2E,φM=BMS,故:
式中,f为铁芯电路的电源频率;W 为铁芯电路线圈匝数;BM为铁芯的磁感应强度;S为铁芯线圈截面积。
从公式可以看出电源频率越高,铁芯截面积可以设计得越小,如果能把频率从50 Hz提高到50 kHz,即提高了一千倍,则变压器所需截面积可以缩小一千倍,这样可以大大减小电源的体积。
综合电源的体积、开关损耗以及系统抗干扰能力等多方面因素的考虑,本开关电源的开关频率设定为30 kHZ。
按键扫描执行模块的作用是判断用户的输入,对不同的输入做出相应的响应。本开关电源设计采用16个压电式按键组成的矩阵式键盘构成系统的输入界面。16个按键的矩阵式键盘需要DSP的8个I/O口,这里选用IOPA0~IOPA3作为行线,IOPF0~IOPF3作为列线。由于TMS320LF2407A都是复用的I/O口,因此需要对MCRA和MCRC寄存器进行设置使上述8个I/O口作为一般I/O端口使用。按键扫描执行模块采用的是中断扫描的方式,只有在键盘有键按下时才会通过外部引脚产生中断申请,DSP相应中断,进人中断服务程序进行键盘扫描并作相应的处理。
LCD显示模块需要DSP提供11个I/O口进行控制,包括8位数据线和3位控制线,数据线选用IOPB0~IOPB7,控制线选用IOPFO IOPF2,通过对PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的设置实现DSP与LCD的数据传输,实时显示开关电源的运行状态。
主要技术指标如下:输入电压:三相AC380 V±5% ;输出电压:DC220V±2% ;输出电流:50 A;额定功率:11 kW。
所得试验样机额定负载时的输出波形如图11(a)所示。由图11(a)实际读数可知,输出电压从0上升到220 V的响应时间为1s左右,电源系统具有较快的响应速度。同时,由图11(b)中的电压波形局部放大图可见,输出电压为220 V时,电压波动在2 V左右,其最大电压波动小于1%。
图11 样机额定负载时的输出波形
本文介绍的基于DSP的大功率高频开关电源,充分发挥了DSP强大功能,可以对开关电源进行多方面控制,并且能够简化器件,降低成本,减少功耗,提高设备的可靠性。试验数据表明指标满足设计要求,本电源均能够保持良好的输出性能。
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