开关电源数字调压系统设计

江良伟， 潘普丰， 弭寒光， 张宏波

(北京航天自动控制研究所，北京100854)

开关电源数字调压系统设计

江良伟， 潘普丰， 弭寒光， 张宏波

(北京航天自动控制研究所，北京100854)

随着电气系统智能化、集成化的提高，对电源的操作也提出了新的要求。介绍了一种开关电源的远程调压系统，分别从系统组成、软硬设计及应用情况进行了分析。经过试验验证，数字调压系统运行可靠，能满足电源使用要求。

开关电源；网络；数字电位器；调压系统

传统的开关电源调压系统是通过改变模拟电位器，进而改变基准参考电压实现输出电压的改变。这种调压系统存在明显的不足，具有调压精度低、不易调节且人为因素大，容易受温度、振动等环境影响，不易进行远程控制等缺点。

本文介绍了一种新型的数字调压系统，不仅克服了模拟调压系统的诸多缺点，而且操作方便，运行可靠。

1　系统组成

为了实现开关电源输出电压的调节，设计了一种新型的数字调压系统。总体的方案是通过在被调电源外部增加调压控制电路，调节开关电源反馈环路的基准电压。其中核心执行部件是带有SPI接口的数字电位器，控制中枢是电源监控板。

根据控制原理，采用开环控制，其中控制部分为电源监控板、执行机构是数字电位器、被控对象是开关电源。

基本工作原理如下：在测控计算机上输入调压设定值，通过网络接口传到电源监控板。在电源监控板中设有控制接口SPI，电源监控板发送SPI同步串口信号(片选信号、时钟信号、数据信号)到数字电位器。数字电位器在SPI信号控制下，其抽头电压经过电压跟随器后和电压基准合成一个0～3 V的参考电压。通过变化的参考电压去调节电源模块的调压端，实现了电源输出电压的数字调节。

2　硬件电路设计

根据图1所示，数字调压系统硬件电路主要涉及电源监控板和调压电路的设计，其中电源监控板包括控制电路和网络接口电路。

图1　数字调压系统框图

2.1电源监控板

2.1.1控制电路设计

电源监控板控制电路主要由DSP、FPGA及外围接口、数字量输入电路、模拟量采样电路、网络通讯电路、存储器电路以及调试接口电路等组成[1]。

监控板控制电路的CPU采用TI的DSPSM32C6713BGDP S20EP[2]，时钟频率25 MHz，工作频率100 MHz；其中FPGA选用Actel的APA300；模数转换芯片选用AD的AD7893SQ-5；网络芯片选用SMSC的LAN9218I；组成框图如图2所示。

2.1.2网络接口电路的设计

测控计算机与电源监控板通过网络进行通讯，电源监控板中的网卡采用LAN9218I芯片[3]实现，与DSP通过地址线、数据线和控制线进行连接，部分控制信号由FPGA进行选择。网络采用UDP/IP协议，网络连接采用的超五类网线。图3为网络接口电路框图。

通过网络，电源整机可以接收来自测控计算机发送的调压命令，同时电源的调压值也可以通过网络传送给测控计算机进行显示。这部分实现数字调压的远程控制部分。

图2　电源监控板组成框图

图3　电源网络接口电路图

2.2数字调压电路设计

2.2.1数字电位器

数字电位器是数字调压系统的主要执行元件。数字电位器亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器(模拟电位器)的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。本设计采用Microchip公司的MCP41010数字电位器[4]，其接口灵活，使用方便，适合各种产品应用。

数字电位器主要由两部分组成：电阻输出部分、逻辑控制部分。前者相当于模拟电位器，后者通过SPI接口控制电阻输出。图4是MCP41010的组成框图。

图4　MCP41010组成框图

2.2.2调压电路设计

图5为调压接口电路。数字电位器的SPI控制是通过电源监控板实现，其中SPI由监控板中FPGA的逻辑电路产生，FPGA采用Actel的APA300。由FPGA产生的SPI控制逻辑安全可靠、容易剪裁和配置，不易受到外部环境的干扰。通过对不同的数字电位器分配不同的地址，实现对多台电源整机的电压进行单独调节。电源监控板与数字电位器中设有隔离芯片ADuM1410，防止外部干扰进入电源监控板，提高了SPI信号的抗干扰能力。

图5　调压电路

3　软件设计

软件设计是系统设计的重要组成部分，包括监控软件和上位机软件设计。监控软件与上位机软件通过网络进行通讯，相互配合完成开关电源的数字调压[5-6]。

3.1监控软件

电源监控软件采用层次化结构设计，整个软件划分为硬件管理层、网络驱动层、通信管理层和功能实现层，软件系统架构图如图6所示。

软件采用C语言编写，在无操作系统环境下运行。软件采用结构化设计思想，自顶向下的开发模式，进行开发。其中，网卡驱动层实现了UDP、ARP、ICMP协议，用于电源控制模块与上位机的网络通信。

图6　电源监控软件系统架构

3.2上位机设计

监控软件用于开关电源输出测试，可以方便进行开关电源输出调压及状态监视，采用VC++编写。

图7为用于监测开关电源运行情况的上位机界面，可以监测输出电压、输出电流、均流情况、电源故障码、系数标定、测试数据记录，以及进行电源远程调压等。

图7　上位机监控软件示意图

4　测试分析

将数字调压系统应用于开关电源进行整机测试，表1是通过上位机监控软件进行调压后得到的调压设定值与实测值。

表1　开关电源输出调压测试

通过实测表明：开关电源的各个模块的电压、电流均能正常实时显示；通过点击调压按钮，能对电源进行远程的网络调压，调压精度较高；当过流过压时，实时界面能正常报警并记录报警时间。

5　结论

本文主要围绕电源远程调压的实现进行了深入的研究，设计了一款基于网络的数字调压系统，并进行了试验验证。通过对测试分析可以看出，数字调压系统运行可靠，测试得到了较好的试验结果，达到了预期设计的要求。

随着现代电力电子技术的发展，数字调压系统已经开始应用于开关电源领域。作为电源运行维护的重要支撑手段，网络操作将发挥越来越重要的作用，也将在航天领域扮演其独特的角色。本文的进一步工作将研究参与电源闭环控制的全数字控制及调压系统。

[1]张功萱，顾一禾，邹建伟，等.计算机组成原理[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6713B DATA SHEET [EB/OL].[2016-03-01].http://www.ti.com/cn/lit/gpn/tms320c6713b.

[3]SMSC.LAN9218I DATA SHEET[EB/OL].[2016-03-01].http://html.alldatasheet.com/html-pdf/179175/SMSC/LAN9218I-MT-E2/103/1/LAN9218I-MT-E2.html.

[4]Microchip Technology Inc.MCP41XXX/42XXX DATA SHEET [EB/OL].[2016-03-01].http://pdf.dzsc.com/0-E/MCP42010-E_P.pdf.

[5]俞斌，何志勇.基于DSP的通信电源监控系统的设计[J].微计算机信息，2012，28(8)：79-80.

[6]范永山，李治源，支彬安.高压恒流充电电源监控系统设计[J].现代电子技术，2011，34(14)：195-198.

Design of digital voltage regulator for switch power supply

JIANG Liang-wei,PAN Pu-feng,MI Han-guang,ZHANG Hong-bo
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China)

With the intelligent and integrated improvement of electrical system,the operation of power supply has some new requirements.In this paper,a kind of remote voltage regulator in switch power supply was introduced;the system structure was analyzed,including the design proposal of software and hardware system,and the application. The experiment results show that the digital voltage regulator runs reliably,and meets the demand of power supply system.

switch power supply;network;digital potentiometer;voltage regulator

TM 46

A

1002-087 X(2016)10-2061-03

2016-03-20

江良伟(1982—)，男，浙江省人，工程师，硕士，主要研究方向为数字电源技术。