基于TMS320F2808的大功率DC/DC变换器的设计

李世杰 赵 敏 任一峰

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原 030051；2.北京茨浮测控技术研究所，北京 100023）

1 引言

在现代科技高速发展的今天，用电设备对高质量电源的需求日益增多，数字控制电源在智能化方面凸显了优势。DSP数字处理器的应用易于实现先进的控制方法和智能控制策略，可以从根本上提高系统的性能[5]。

本文提出了一种基于32位数字处理器TMS320F-2808的大功率DCDC变换器控制系统设计方案，整个系统包括硬件和软件的设计，并得到了良好的实验结果。

2 DC/DC变换器基本工作原理

本系统采用脉宽调制方式。直流电源输入直流电压Ui，再由功率开关管MOSFET斩波， 并且采用四个MOSFET管并联增大输出功率，同时采用推挽隔离工作方式，通过高频变压器升压，得到高频矩形波交流电，最后输出整流滤波，获得所需直流输出电压Uo。产生频率固定脉宽可调的驱动信号的控制器是该系统的核心，通过控制开关管的通断状态，来调节输出电压，实现系统稳压。

图1 系统框图

3 电路结构及DSP控制策略

该大功率数字DC/DC变换调节系统的主要特点为：可以通过键盘精确地动态设置输出电压并显示输出电压值；采用了技术成熟且应用广泛的PID控制策略对输出电压进行稳定、准确、快速的调节；过欠压，过流的显示保护以及蜂鸣器报警。

3.1 系统电路原理图与DSP实现

高性能DSP处理器作为开关电源的控制核心，不仅克服了模拟控制分立元件过多、电路可靠性差、电路复杂等缺点；而且符合对电源产品实时性和精度越来越高的要求，这是低档的单片机根本无法满足的。

TI公司的TMS320F2808高性能DSP芯片是目前控制领域先进的处理器之一，频率高达100MHz，并且集成了丰富的内核可以访问和控制的外设[3]。大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。

（1）高精度EPWM达到2MHz频率，超过11位分辨率，高精度的PWM不仅提高了电源转换效率而且使输出电压控制更加精确。

（2）零CPU开销，高达12.5MHz的A/D转换外设具有12位分辨率，最小AD转换时间达160ns，对于20～100kHz的开关电源来讲，完全可以做到周期采样的控制要求，从而保证了变换器的高速响应要求。

（3）SCI外设采用标准的非归零数据格式，能够实现多CPU之间的数据通信，从而完成数字按键灵活控制输出电压值。

所以利用TMS320F2808强大、快速的信息处理能力和丰富的外设资源能够实现大功率DC/DC稳压电源系统的功能。

图2 基本原理图

3.2 系统工作过程简述如下

该系统属于推挽式DC/DC变换电路。直流电源输入为20～27V稳定性较差的直流电源，DSP采用脉宽调制式（PWM）控制方式，输出20kHz固定频率的PWM波来控制功率上下桥臂开关管MOSFET通断，高频变压器将输入电压进行升压，在变压器次级经整流滤波得到所需的直流输出电压。输出电压大小可以通过按键根据要求在50～120V实时、准确的设置。稳压过程和保护机制是，通过电压、电流霍尔传感器将实时采集的输出电压、电流值的模拟信号输入给DSP的A/D转换外设，高性能的DSP处理器经过高速计算实时控制改变PWM波的占空比，从而使得输出电压的稳定和实施保护[1]。

功率输出的设计方面，该电源系统推挽的上下桥臂分别采用将4个MOSFET管并联方式从而使得输出功率增大4倍。若需获得50kW以及更大的输出功率可以将该系统直接并联。

4 DSP控制软件设计

基于BOOST变换器原理，DSP依据式

式中，Vo为输出电压，VIN为输入电压，n为变压器匝数比，D为PWM的占空比。

计算与所需输出电压相对应的开关控制信号的占空比，并实时地依据反馈信号进行控制信号占空比的调整。

由式（2）得Vref且ADC采样误差=ADC检测值-Vref；

同时，由式（3）得 DUTY误差=ADC采样误差×0.5×周期值/ADC量程，DUTY=DUTYDUTY误差，这样通过实时控制PWM的脉宽来保持输出电压稳压。程序流程图如3图所示。

5 数字PID控制及动态响应参数测定

由于该系统输出的电压信号在不同负载的情况下或在输入电压变化的情况下会有失真，因此需要对该系统采用串联PI数字控制器对输出电压信号进行校正控制，以实现电压的动态稳定[4]。

图3 软件设计流程图

数字PID控制器通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，由于增量式PID输出增量，误动作影响小；算式不需要累加，仅与最近N次的采样值有关，较容易通过加权获得比较好的控制效果[2]，因此，该系统采用增量式PID算法。

实验中，输入是稳定的可调直流电源，负载为线性负载，负载串联1Ω电阻则可以通过观测该电阻的电压值变化来观测负载电流的变化。

如图所示，当负载突然加重到额定值90%以后，通过泰克TDS1012B示波器观测PID控制对输出电压动态响应时间的改善，图中1为负载电流的变化，2为输出电压的动态响应。

通过比较图4，图5中可以明显看出，当输入为20V，输出为88.5V，负载电流增加突变以后，采用PI数字控制器后电压瞬时下降幅值由1.8V降到0.8V减小约50%，动态响应时间由50ms缩减为10ms明显增快。如图6当负载电流减小时，虽然有PI控制器但稳定时间大约100ms远远大于负载电流增加的时间，这是因为输出电容在输出电压降低时需要放电时间。

图4 负载增加无PID控制动态响应图

图5 负载增加有PID控制后动态响应

图6 负载减小有PID控制动态响应图

在串联PI控制器校正时，该控制器相当于在系统中增加了一个原点开环极点提高系统的型别，消除或减小系统的稳态误差；一个负实零点，减小系统的阻尼程度，缓和极点对系统稳定性及动态过程中产生的不利影响，从而改善系统稳态性能，并且该控制方式控制简单，容易实现[4]。

6 结论

实际参数测定表明，该DC/DC变换器数字调节系统满足设计要求，具有良好的性能。

同时，利用TMS320F2808丰富的外设，可以将该系统扩展到DC/AC模块。EPWM的时基同步和高精度相移控制外设功能，可以精确的控制DC/AC每一路PWM相位，很容易实现逆变电源并联运行的同相控制；在光伏发电，风力发电绿色能源领域中，利用该功能还可以实现与电网的同步，所以基于TMS320F2808电源调节系统有着非常广阔的应用前景。

[1] 冯楠,曾国宏,张佳.高频开关电源的EM I滤波器的研究[J].电气技术,2006(12):15-17.

[2] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2005.1:5-16.

[3] TMS320F280X Data Manual[M].Literature Number:SPRS230J.September 2007:11-15.

[4] 段小丽,任一峰.自抗扰控制器解决感应电机调速系统参数鲁棒性问题[J].电气技术,2009(2):12-14.

[5] 黄珍贵.高精度数控稳压电源的研究[D]. 国防科学技术大学,2005.