基于TMS320F28027的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

劉虎 劉增力

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源也朝著小型化、高效、高精度的方向發(fā)展。設(shè)計(jì)一種采用Buck型降壓電路進(jìn)行降壓，以DSP芯片TMS320F28027為主控制器，通過(guò)模糊控制方法控制電壓和電流穩(wěn)定輸出，同時(shí)具有可靠閉環(huán)控制的直流穩(wěn)壓電源。該直流穩(wěn)壓電源能夠提高開關(guān)電源的精度和效率，也使設(shè)計(jì)成本大大降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用該設(shè)計(jì)后整機(jī)效率最高可達(dá)92.01%。

關(guān)鍵詞：TMS320F28027；開關(guān)電源；直流穩(wěn)壓電源；Buck型；模糊控制算法

DOI：10.11907/rjdk.172534

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）005-0069-03

Abstract：With the development of power electronic technology， switching power supply technology is improved continually toward miniaturization， high efficiency and high precision. Based on the development trend of switch power supply， the paper designs a DCvoltage-stabilized source that adopts a type of buck step-down circuit to improve the step-down，regards DSP chip TMS320F28027 as the main controller to realize stable output of voltage and current through fuzzy control and also possesses reliable closed-loop control.The designed DC voltage-stabilized source can realize high precision and high efficiency of switching power better，and also save the design-cost greatly. The result of experiment shows that the maximum overall efficiency can reach 92.01% by this design when compared with traditional design.

Key Words：TMS320F28027； switching power； DC voltage-stabilized source； Buck mode； fuzzy control algorithm

0 引言

如今，電力電子技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，人們?cè)谑褂秒娮釉O(shè)備時(shí)，離不開開關(guān)電源的保障。隨著傳統(tǒng)電源技術(shù)開始往大電流、低輸出的方向發(fā)展，輕、薄、小及高可靠性也成為開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)[1]。但研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)開關(guān)電源在精度、功耗和控制方面都存在一些缺陷。因此，提高開關(guān)電源精度、降低功耗、增強(qiáng)電源可靠性在電力技術(shù)研究中具有重要意義。

1 方案選擇

1.1 DC-DC主回路拓?fù)?/p>

本文采用Buck型降壓電路進(jìn)行降壓，Buck型電路原理主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)不斷驅(qū)動(dòng)開關(guān)管閉合和導(dǎo)通，使電容電感充放電，從而讓輸出電壓不斷調(diào)整，最后穩(wěn)定在一個(gè)定值。具體過(guò)程為：開關(guān)管受驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制導(dǎo)通時(shí)，回路中的電容C開始充電，電感L因?yàn)榛芈穼?dǎo)通電流不斷增加，電感內(nèi)存儲(chǔ)的能量也不斷增加，電路中的續(xù)流二極管因電流反向而截止；開關(guān)管受驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制關(guān)斷時(shí)，L會(huì)釋放之前存儲(chǔ)的能量，電感L中因電流發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使續(xù)流二極管導(dǎo)通，從而使電感和二極管構(gòu)成一個(gè)新回路，負(fù)載上出現(xiàn)輸出電壓；當(dāng)電容C的電壓高于負(fù)載兩端電壓時(shí)，電容C向負(fù)載釋放能量[2]；開關(guān)管受驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制重復(fù)上述過(guò)程，使輸出電壓不斷調(diào)整，從而趨向一個(gè)定值；穩(wěn)流電路采用霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放LM358進(jìn)行電壓放大，得到輸出電壓。將此電壓反饋給主控系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。

1.2 穩(wěn)壓及穩(wěn)流控制方法與實(shí)現(xiàn)方案

在控制算法方面采用模糊控制算法，傳統(tǒng)控制方法主要依賴于數(shù)學(xué)算法模型，而且模型參數(shù)已知。但大多系統(tǒng)本身往往是一個(gè)未知或無(wú)法描述的模型，參數(shù)也是變化或未知的。DC-DC變換器屬于強(qiáng)非線性模型，模型本身和參數(shù)也不確定，模糊控制算法應(yīng)用于其中能很好地解決該問(wèn)題。模糊控制是一種自適應(yīng)算法，其設(shè)計(jì)不再需要準(zhǔn)確、已知的數(shù)學(xué)模型，而主要依賴于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因此，應(yīng)用該算法可以大大增強(qiáng)算法的穩(wěn)定性[3]。PWM型DC-DC變換器的模糊控制方案框架如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，模糊控制器的輸入為輸出電壓誤差e及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)ce，輸出為dk，定義如下：

1.3 效率提升方法及實(shí)現(xiàn)方案

（1）開關(guān)管選擇。選用PNP型MOS管IRF4905作為開關(guān)管，其具有極低的導(dǎo)通阻抗、快速的轉(zhuǎn)換速率，從而使輸出電壓和電流快速可調(diào)。

（2）在Buck型降壓電路采用推挽式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以消除Buck電路場(chǎng)效應(yīng)管中結(jié)電容的影響，從而提高開關(guān)管靈敏度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整機(jī)效率[4-5]。

（3）采用高性能的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F28027。該芯片具有穩(wěn)定性好、精度高、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，其決定了系統(tǒng)整體性能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以TMS320F28027為主控芯片控制Buck型降壓電路，主要分為主控模塊、Buck型降壓模塊、電流檢測(cè)模塊、無(wú)線WiFi模塊、液晶顯示模塊與供電模塊。系統(tǒng)輸入端為13～16V的直流波動(dòng)電壓，輸出電壓范圍為5～10V，輸出電流范圍為150～1 500mA。該系統(tǒng)配有紅外系統(tǒng)和WiFi模塊，能夠通過(guò)遙控器或手機(jī)調(diào)整系統(tǒng)輸出模式，同時(shí)能輸出電壓作步進(jìn)調(diào)整。同時(shí)，配有液晶顯示模塊，能對(duì)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測(cè)量和顯示。系統(tǒng)框架如圖2所示。

2.2 主回路器件選擇及參數(shù)計(jì)算

（1）主控芯片選擇及最小系統(tǒng)。采用STM320F28027芯片作為主控芯片，具有高效32位中央處理單（CPU） ，3.3V 單電源，集成型加電和欠壓復(fù)位，兩個(gè)內(nèi)部零引腳振蕩器[6]。

（2）電流傳感器選擇。電流傳感器采用ACS712，能夠?qū)⒅绷骰蚪涣麟娏鬓D(zhuǎn)化成與之成比例的電壓信號(hào)。這主要是由內(nèi)部的霍爾傳感器電路決定的，該電路是一個(gè)線性電路，具有高精度、低偏置的優(yōu)點(diǎn)。ACS712的功能優(yōu)勢(shì)明顯，有低功耗、低噪聲、響應(yīng)速度快（對(duì)應(yīng)步進(jìn)輸入電流，輸出上升時(shí)間為5s）、總輸出誤差最大為4%、50kHz帶寬、高輸出靈敏度（66 mV/A～185mV/A）等優(yōu)點(diǎn)[7]。

（3）WiFi模塊選擇。模塊參數(shù)為單流WiFi@2.4GHz，支持WEP、WPA/WPA2安全模式；自主開發(fā)MCU平臺(tái)，超高性價(jià)比；具有完全集成的串口轉(zhuǎn)WiFi功能；支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而且具備WiFi連接配置等功能；支持Smart Link智能聯(lián)網(wǎng)功能（提供APP）；PWM信號(hào)輸出最多可達(dá)3路；提供豐富的AT+指令集配置；1×10管腳 2mm插針連接器；3.3V單電源供電；操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)可支持低功耗選項(xiàng)；具有小體積、低功耗、低成本、支持WPS、支持Smart-LINK等優(yōu)點(diǎn)[8]。因此，可通過(guò)WiFi模塊使用手機(jī)對(duì)電路進(jìn)行控制，同時(shí)在手機(jī)上輸入顯示。手機(jī)顯示界面如圖3所示。

（4）電感參數(shù)計(jì)算。包括：①占空比，根據(jù)電感計(jì)算公式（（Ui-Uo）/L）×D=（Uo/L）×（1-D），已知輸入電壓Ui=13V，輸出電壓Uo=5V，D=Uo/Ui。因此，這里D=0.3846；②Io的輸出范圍為150～1500mA；③確定通道時(shí)間Ton，Ton=T×D。設(shè)定頻率為75kHz，所以Ton=5us；④在設(shè)計(jì)Buck型電路時(shí)，電感量的選擇原則是使電感紋波電流為電感電流的20%，所以dI=0.2×Io，根據(jù)公式（（Ui-Uo）/L）×Ton=dI，所以選取的電感為L(zhǎng)=100μH[9]。

（5）電容參數(shù)計(jì)算。開關(guān)電源濾除紋波電壓或電流是通過(guò)在電路中加入濾波電容實(shí)現(xiàn)的，電流紋波主要靠主回路電容濾除，電容的選擇原則是在開關(guān)管導(dǎo)通或截止時(shí)，電容值阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，這樣在整個(gè)電路中電容能流過(guò)最多的電感電流紋波，而加載在負(fù)載中的紋波則減少到最低。而輸出紋波電壓主要由輸出濾波電容決定，其中輸出電容的等效串聯(lián)電阻和輸出電壓紋波有直接關(guān)系，電路中的紋波電流要小于電容內(nèi)的紋波電流[10-11]。本文選取兩個(gè)1 000μF和470μF的電解電容并聯(lián)，從而減小了等效的串聯(lián)電阻，起到減小輸出電壓紋波的作用，更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

2.4 效率分析及計(jì)算

此電路設(shè)計(jì)中主要的損耗是熱損耗，另外還有光、電磁輻射等，主要的耗能元件是開關(guān)器件、電阻、電流傳感器、發(fā)光二極管等。其中驅(qū)動(dòng)部分采取推挽式驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是損耗很小、反應(yīng)快捷。開關(guān)元件IRF4905是壓降性元件，功耗相對(duì)較小。綜合來(lái)看，整個(gè)電路的損耗較小，可以達(dá)到理想要求。

由上述數(shù)據(jù)分析可知：在空載情況下，電路凈損耗是0.5W；當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，總功率增加，電路凈損耗不變，所以效率會(huì)越來(lái)越高，可達(dá)90%以上[12]。

2.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

本項(xiàng)目主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電流的檢測(cè)控制PWM信號(hào)脈沖寬度，從而達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。本設(shè)計(jì)采用限流—切斷式保護(hù)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：當(dāng)輸出電流達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路開始工作，通過(guò)保護(hù)電路將輸出電壓減少到正常值，同時(shí)負(fù)載電流被限制；如果輸出電流繼續(xù)增大到第二個(gè)設(shè)定值，該電路會(huì)繼續(xù)工作，將電路中電源切斷以保護(hù)電路器件[13]。

2.6 算法流程

算法流程如圖4所示。

3 測(cè)試方法與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方法

（1）用紅外遙控輸入13～16V的電壓值，觀察LCD上顯示的參數(shù)值。

（2）用手機(jī)通過(guò)WiFi控制模塊輸入電壓值，分別調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源、穩(wěn)流電源，在手機(jī)上顯示各項(xiàng)參數(shù)值[14]。

3.2 測(cè)試儀器

本次測(cè)試選用的儀器設(shè)備如表2所示。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及處理

為了檢驗(yàn)本次設(shè)計(jì)開關(guān)電源的效率和可靠性，分別對(duì)穩(wěn)壓和穩(wěn)流模式做了多組實(shí)驗(yàn)，包括電壓和負(fù)載調(diào)整率、紋波電壓和電流、整機(jī)效率等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，穩(wěn)流模式效率可達(dá)92.01%，噪聲紋波電壓和電流均在毫伏毫安量級(jí)，電壓、負(fù)載調(diào)整率均在1%以下。測(cè)量精度較高，可靠性較強(qiáng)。

由表3可知，在輸出電流為1A，輸入電壓在13～16V之間變化時(shí)，電壓調(diào)整率為0.1%。

由表4可知，當(dāng)輸入電壓為15V，改變負(fù)載電阻，使輸出電流在0～1A之間變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為0.6%。

由表5可知，在穩(wěn)流模式下，輸入電壓在13～16V之間變化，輸入電流為1A時(shí)，電壓調(diào)整率為1%。

由表6可知，在穩(wěn)流模式下，輸入電壓和電流分別為15V、1A時(shí)，改變負(fù)載阻值，測(cè)得負(fù)載變化率為1%。

此外，還對(duì)整機(jī)效率、紋波電壓和紋波電流進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，穩(wěn)壓模式下系統(tǒng)整機(jī)效率為75.76%，穩(wěn)流模式下效率可達(dá)92.01%，紋波電流和電壓均在毫伏（mV）或毫安（mA）的數(shù)量級(jí)以下。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以Buck型降壓電路為核心，以DSP芯片TMS320F28027為主控制器，通過(guò)主控制芯片的PWM功能控制電壓和電流的穩(wěn)定輸出。系統(tǒng)輸出的調(diào)整是根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)作出調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，從而保障了系統(tǒng)可靠性，能夠進(jìn)行穩(wěn)壓穩(wěn)流的輸出，同時(shí)有效避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的弊端。但在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在一些誤差，有些誤差是無(wú)法避免的，但有些可能通過(guò)后續(xù)研究加以避免。其中最主要的積累誤差是對(duì)效率等進(jìn)行理論分析和計(jì)算時(shí)，由于采用參數(shù)均是器件的理論值，但器件實(shí)際參數(shù)并不是唯一不變的，而是具有鮮明的離散性，系統(tǒng)整體性能不可能達(dá)到理論分析值。同時(shí)電路的制作工藝并非理想，會(huì)增加電路中的損耗。測(cè)量器件誤差將導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差[15]。這也是今后設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的方向，為下一步研究提供了一個(gè)切入點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>