一種基于DSC技術(shù)的DC/DC變換器設(shè)計(jì)

張旭濤

(1.上海寶康電子控制工程有限公司，中國 上海201901；2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，中國 上海200092)

0 引言

作為現(xiàn)代電源的新領(lǐng)域，數(shù)字電源的發(fā)展?jié)摿薮?，其?yōu)勢越來越明顯。近年來，Microchip公司瞄準(zhǔn)數(shù)字電源的市場前景，先后推出多款電源專用的低價位DSC數(shù)字信號控制器。該系列控制器集成了高性能的DSP運(yùn)算內(nèi)核和單片機(jī)控制架構(gòu)，具備完整的數(shù)字控制和系統(tǒng)管理功能，適用于設(shè)計(jì)高性價比的數(shù)字電源。本文選用Microchip公司DSC芯片，設(shè)計(jì)基于DSC技術(shù)的數(shù)字電源——DC/DC變換器。

1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件技術(shù)指標(biāo)為：（1）輸入電壓：100~300VDC，輸出電壓0~48VDC可設(shè)定，最大輸出功率450W；（2）輸出紋波系數(shù)Vp-p低于120mV，電壓精度小于0.5%，正常工作效率高于90%；（3）通過按鍵設(shè)定輸出值；（4）具有過壓、過流保護(hù)功能。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主回路選用半橋式拓?fù)?，具有抗不平衡的突出能力且無偏磁轉(zhuǎn)換。輸出回路采用同步整流技術(shù)，可以大大降低輸出端整流損耗?？刂苹芈愤\(yùn)用DSC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的全數(shù)字化控制，即：通過A/D轉(zhuǎn)換，將電壓、電流采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)值與采樣值之間的誤差調(diào)節(jié)，最后實(shí)時輸出PWM信號，從而實(shí)現(xiàn)功率變換，產(chǎn)生輸出電壓。

從性能和價格考慮，DSC芯片選用Microchip公司電源專用控制器dsPIC33FJ16GS502。該控制器采用改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu),包含強(qiáng)大的DSP引擎和擁有增強(qiáng)功能的指令集，處理速度最高可達(dá)40MIPS，具有快速而完善的中斷響應(yīng)功能，并集成有高速模擬比較器、10位A/D轉(zhuǎn)換和脈寬調(diào)制器，無需CPU干預(yù)便可處理峰值負(fù)載。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件

全數(shù)字化控制由系統(tǒng)軟件在DSC芯片內(nèi)部完成。系統(tǒng)軟件在每個開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)入一次中斷,通過調(diào)用控制算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生新的PWM占空比值，送入相應(yīng)的寄存器，從而輸出PWM波形。

系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。在處理各模塊事件時，要根據(jù)系統(tǒng)特性來確定處理的優(yōu)先順序。各模塊程序的編寫必須滿足信號采集和數(shù)據(jù)運(yùn)算對精度和速度的要求。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3 控制算法

對于DC/DC變換器這樣一個非線性、時滯性系統(tǒng)，本文采用的是一種將模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制算法，即模糊PID控制算法。如圖3所示，模糊PID控制算法以電流型控制為基礎(chǔ)，是典型的雙環(huán)控制。外環(huán)為電壓環(huán)，采用模糊控制器與積分環(huán)節(jié)共同作用，可以加快動態(tài)響應(yīng)過程且消除穩(wěn)態(tài)誤差。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，采用PI控制，將前級輸出量與電流采樣量比較調(diào)節(jié)，輸出最后控制量d(k+1)，經(jīng)DPWM單元輸出PWM信號。

圖3 控制算法結(jié)構(gòu)圖

在控制算法中，模糊控制的控制規(guī)則是：（1）如果輸出電壓誤差很大，誤差變化率使得輸出電壓偏離期望值，則模糊控制器的輸出應(yīng)該較大。（2）如果輸出電壓誤差很小，誤差變化率很大，則模糊控制器應(yīng)該朝著減小超調(diào)的方向變化。（3）如果輸出電壓誤差變化使得誤差越來越小，而誤差本身較大，則模糊控制器輸出不需要很大。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮DSC技術(shù)優(yōu)勢，合理引入現(xiàn)代控制理論，使得硬件電路大大簡化，系統(tǒng)性能顯著提升。該方案簡單實(shí)用、性價比高、容易推廣。

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［2］劉鳳君.開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014,6.

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