基于DSP的精密稳流电源设计与实现

0 引言

各种电源在现代用电设备中正得到越来越多的应用，精密稳流电源以高精度、高效率、高可靠性、体积小、重量轻等特点被广泛应用，它代表着电源的发展方向，有着广阔的应用前景。

目前，高可靠性、智能化及数字化成为研究精密稳流电源的热点，DSP芯片的高速处理能力和丰富的外围设备，非常适合于实时数字信号处理，为精密电源采用全数字控制提供了可行性方案。本文以TMS320F2812 DSP为核心，设计了一种精确度和稳定性都较高的精密稳流电源。

1 系统整体设计

系统设计原理框图如图1所示。本设计通过上位机将指令发送给主控模块TMS320F2812 DSP，其控制数模转换器芯片输出指定电流基准信号，用模数转换器芯片采集稳流电路的输出电流，并传送给DSP。DSP将采集到的电流与输出指定电流进行比较，并进行软件修正，同时将检测电流值上传到上位机[2]。

2 系统的硬件电路设计及原理

2.1 数/模转换模块

图2为DAC转换原理框图，主控制芯片TMS320F2812内部集成有SPI模块，与SPI模块相关的信号线为SPISIMO、SPISOMI、SPICLK[3]。本设计只用到 SPISIMO和 SPICLK，采用一个 GPIO引脚用作 DAC的片选信号(DACS)[4]21。设计中 DSP与 DAC之间是单路数据的通信协议，可将SPI模块配置成单向数据的传送方式。

图1 系统结构框图

图2 DAC转换原理框图

主控制器控制着整个设计的工作流程，首先它给DAC转换器的同步输入脉冲引脚输入低电平DACS，选中DAC并对其进行初始化[4]20－21。然后通过 SPI模块设定串行传输时钟脉冲、波特率。其中选择串行同步传输的时钟频率为25 MHz，传输的数据位数为16位。精密稳流电源核心控制模块设计的关键就是通过DA转换得到高精度的基准信号，从而实现控制电路的工作。通过DAC转化的模拟电流I_ref，最后输入 PWM控制芯片 SG3525的误差放大器正端。

2.2 稳流电路的分析

系统原理框图如图3所示，本部分电路主要是通过主电路工作输出稳定的电流Id，经电流反馈电路，将反馈的电流I_fb作为驱动电路中误差放大器负端的信号[5]。同时指定值与反馈信号比较形成驱动信号控制主电路的工作，从而实现了电流负反馈控制系统使电源输出Id恒定的功能。

图3 稳流电路工作原理图

2.2.1 主电路

主电路由全桥DC/DC逆变电路和两级LC滤波电路组成。直流输入+48 V是主电路供电环节，为H桥逆变拓扑结构提供了工作电源，其通过整流、滤波电路得到稳定的直流电流输出。

采用功率MOS管作为主电路的可控器件，通过对它的控制实现主电路的稳流功能[6]。由于加入两级 LC滤波电路使主电路工作电流的纹波明显减少，因此输出的电流Id稳定性好、纹波系数小。当受外界因素影响使主电路电流Id发生变化时，驱动电路产生的驱动信号调节功率MOS管的导通占空比，实现对主电路的直流电流输出的控制，从而得到高精度的Id。

2.2.2 电流负反馈电路及驱动

针对数据的采集，通常用霍尔传感器采集输出端的数据，但考虑到信号的精度要求及共地、纹波、噪声等因素的影响[7]，采用精密采样电阻配合差分放大器的采样电路，采集的数据精度可以达到0.1% 。

差分放大器检测主电路输出端采样电阻的两端电压，经精密运放器进行信号放大，再通过提升电路后输送到PWM控制芯片SG3525的负端并与其正端信号相比较，实现PWM信号的输出功能。其原理框图如图4所示。

控制器SG3525输出频率为100 kHz的PWM信号[8]，通过反向、延时调节得到两路反向且对称的PWM信号，再对PWM波形进行死区调节，输送带死区的两路相互互补的PWM波到全桥驱动芯片。它可以提高驱动波形驱动能力，输出四路电压12 V左右带死区的驱动波，控制开关管的导通，实现电流Id的调节。

图4 反馈系统的原理框图

2.3 模/数转换模块

用16位的A/D转换器完成采样功能。如图5所示为ADC转换原理框图。与D/A控制方式相同使DSP控制A/D芯片的片选与时钟信号，初始化时使片选信号为低电平[4]，当CS变为高电平时，AD芯片将模拟量转换成数字量，完成A/D转换功能。由于加入跟随电路，保证了该采样电路在较宽的采样值范围内都能得到高精度的采样值。

图5 ADC转换原理框图

3 系统软件设计

本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。主要包括主程序模块、信号采集与处理程序模块、数据输入、输出处理模块等，其中数据的接收、输送都是通过串行通信来实现的。主程序模块与各程序模块联系主要通过DSP的中断完成[3]，可使信号采集和数据运算满足高精度和快速要求。

主程序模块首先进行系统参数的初始化与设置，然后完成对各模块的初始化协调、调用及主要环节的数据转换等任务。其程序流程图，如图6、7所示。

图6 主程序流程图

图7 电流闭环程序流程图

4 仿真结果

在理论分析基础上，利用 MATLAB软件中的Simulink工具箱进行计算机仿真研究。仿真参数如下:电源为+48 V的直流电压源，全控逆变桥带两级LC滤波模块，精密采样电阻R1及串联负载RL，开关频率为100 kHz。

仿真结果如图8所示。从图中可以看出，仿真结果和理论分析是一致的，用该方法检测LC滤波器的工作可行。

图8 两桥臂依次导通时两点间的电压值

图9 整流电流输出波形

图8 为整流桥AB两点的电压波形，当两桥臂依次导通时，AB两点之间的电压值是 ±48 V。图9为整流后输出的电流值，其电流纹波峰峰值 为 0.1 mA左右。可见增大滤波电感与开关频率的值，系统的电流的纹波系数小，且精度高，证明了该系统有着良好的动态性能。

图10 正电流上下管的驱动波形

图11 (电流2.5 A)驱动波形和输出电流波形

5 实验验证与测试结果

根据本文方案制作出采用TMS320F2812高性能DSP作为控制芯片组成精密稳流电源的实验样机。首先调试了SG3525的发波频率，使其满足本设计的要求，同时使用数字存储示波器测量了H桥的驱动波形、主电路输出的电流波形。用来评估功率电路的稳定性。开关频率为100 kHz，其波形如图所示。

图10为主电路上下两功率管VT1和VT3输出的相互互补带死区的信号。通过上位机设定参考值，记录驱动波形和输出电流波形，如图11所示，功率回路输出的电流值与驱动波形。

实验结果表明，该方法能实时准确地检测出电源电流，经过电流闭环调节与采样电路的较准电流值达到高精度、稳定性好的目标，且电源输出电流平均值偏差小于±5 mA，实验样机基本达到设计目的。

6 结束语

该精密稳流电源是以 TMS320F2812作为控制芯片，通过MAX232和增强型区域控制网络模块(CAN口)接受上位机指令并上传电流检测结果，其稳流电路简单、可靠、制作方便、控制精度高。通过仿真以及实验波形的分析，电源电流值稳定性好、准确度高，此外模/数转换和通信模块运用了 DSP软件编程灵活，自由度大，实时运算速度，数据处理能力高等特点，使得稳流特性更加优化。二者相结合、取长补短使电源的处理速度快、精度高和稳定性好，保障了系统的可靠性，有着广阔的应用前景。

[1]Jing H X，Liu Z G，Wang H Y.Design and realization of high－precision digital control direct current power supply[C].Consumer Electronics Communications and Networks.

[2]支长义，程志平，焦留成.基于DSP的单相精密电源硬件设计[J].微计算机信息，2006，22(2):133－136.

[3]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开[M].北京:清华大学出版社，2008.

[4]姚旺君.12位数模转换器DAC7311的通信控制及其电流驱动电路设计[J].现代电子技术，2011，35(13):20 －23.

[5]姜宏宇.一种新型高精度高温度稳定性恒流源研究[J].现代电子技术，2008，32(14):12 －14.

[6]尉广军，朱宇虹.几种恒流源电路的设计[J].电子与自动化，2001，30(1):45－46.

[7]李宏生，万德钧.一种高精度恒流源的设计与分析[J].光学精密工程，1996，4(6):87－94.

[8]钱炎平.电力电子电路设计[M].武汉:科技大学出版社，2010.

[9]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开[M].北京:清华大学出版社，2008.