（电机与电器专业论文）数字开关电源的研究.pdf

n 画 r e s e a r c h s u p p l y a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y g a oh h a l l a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nx i n s u b m i r e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 高华雨 - i _ o o 3 坷 一 簟 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 数字处理芯片的发展为电力电子技术提供了新的思路，由此产生的数字开关电源因其重复 性强、易于监控等优点，越来越受到人们的重视。将数字信号处理器( d s p ) 与微控制器( m c u ) 融合的数字信号控制器( d s c ) 是数字电源行业的发展趋势。本文采用d s c 建立数字控制平台， 将开关电源的控制数字化，取得了良好的控制效果。 本文首先介绍了数字电源的概念、特点以及数字电源的发展趋势，分析和讨论了设计数字 控制系统时的注意事项，为设计数字开关电源提供了理论指导。随后设计了5 0 0 w 全数字控制 的开关电源样机，采用两级式控制，用平均电流控制前置功率因数补偿电路，移相控制后级 d c d c 电路，并用l a b v i e w 设计了人机界面，实现友好人机互动。本文进行了软硬件设计并给 出了实验结果。针对数字控制可编程性、易监控的特点和优势，本文同时研究了单周期控制p f c 数字算法，相对于平均电流控制p f c 算法，单周控制算法不含乘法器，运算量大大减少，低性 能的d s c 芯片就能满足控制要求，有利于提高数字电源的性价比。本文最后研究了新型v 2 控 制方法，研究了在各种调制方式下数字v 2 控制b u c k 变换器的算法，仿真结果表明v 2 控制具 有优异的负载瞬态响应特性。 关键词：数字控制，d s c ，p f c ，平均电流控制，单周控制，移相全桥 数字开关电源的研究 t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o rp r o v i d e san e wm e t h o df o rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y d i g i t a l c o n t r o l l e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha si t i sp r o g r a m m a b l e ，i m m u n et oc o m p o n e n tc h a n g e sd u et o v a r i a t i o n s ，e a s y - t o - b em o n i t o r e da n ds oo n s ot h em o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i d d s cw h i c h i st h ei n t e g r a t i o no f t h ed s pa n dt h em c ui st h ei n d u s t r y sd e v e l o p m e n tt r e n do fd i g i t a lp o w e r s u p p l y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d y , i m p l e m e n t a t i o na n di m p r o v e m e n to fad s cb a s e dd i g i t a lc o n t r o l l e r t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o n , c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e d i g i t a lp o w e rs u p p l y , s t u d i e so nt h ed e s i g ni s s u e sw h i c ha t ef a c e db yd e s i g n e rt r y i n gt oo p t i m i z et h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m sp e r f o r m a n c e s e c o n d l yt h i sp a p e rs t u d i e so nt h ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u eo f t h es w i t c h i n gp o w e rs y s t e mb a s e do nd s cw h e r et h ep f cb o o s tc o n v e r t e rw h i c hu s e sa v e r a g ec u r r e n t c o n t r o la r i t h m e t i ci sf o l l o w e db yad c o d cc o n v e r t e rs t a g ew h i c hu s e sp h a s e - s h i f t i n gc o n t r o l a r i t h m e t i c ，a n dt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e du s i n gl a b v i e wa tl a s t t h i sp a p e rp r e s e n tt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n dt h e l a r g ec a l c u l a t i o no ft h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o la r i t h m e t i cu s e db yt h ep f cs t a g e ，o n e - c y c l ec o n t r o l p f ca r i t h m e t i ci sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea d v a n t a g eo ft h e d i g i t a lc o n t r 0 1 b e c a u s eo fas m a l la m o u n to fc a i c u l a l i o nw i t h o u tm u l t i p l i e r , l o w - p e r f o r m a n c ec h i p w i l lm e e tt h er e q u i r e m e n t su s i n go n e - c y c l ec o n t r o lp f ca r i t h m e t i c t h et h e s i sf i n a l l ys t u d i e san o v e l c o n t r o lt e c h n i q u e - 旷c o n t r o l ( v o l t a g e - v o l t a g ec o n t r 0 1 ) w h i c hh a sb e t t e r t r a n s i e n tr e s p o n s ef o r d c d cs t a g e ，t h ed i g i t a lc o n t r o ll a w sf o re a c hm o d u l a t i o nm e t h o do nb u c kc o n v e r t e ri sd e r i v e da n d s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d k e y w o r d s ：d i g i t a lc o n t r o l , d s c ，p f c ，a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l ，o n e - c y c l ec o n t r o l ，p h a s e s h i f t f u l l - b r i d g e 1 2 数字控制系统的概述。1 1 3 数字控制电源的发展和现状2 1 3 1 数字处理器的发展3 l - 3 2 数字控制电源的发展。5 1 4 数字控制电源设计需要注意的事项6 1 4 1 微处理器的选择7 1 4 2 采样频率与开关频率的关系7 1 4 3p i 算法中的抗饱和问题8 1 4 4 数字脉宽调制方式的选择。8 1 5 本文的主要研究工作9 第二章5 0 0 w 数字控制开关电源硬件平台设计1 1 2 1 样机设计指标和系统总体方案1 l 2 2 数字控制器的硬件设计1 2 2 2 1 控制芯片的选择，1 2 2 2 2 数字外围电路。1 2 2 2 3 模拟接口电路。1 3 2 2 4d ，a 转换扩展电路1 4 2 3 功率电路参数设计l5 2 3 1 前置功率因数补偿电路参数设计1 5 2 3 2 后级d c d c 电路参数设计。l7 2 4 本章小结l8 第三章5 0 0 w 数字控制开关电源软件设计1 9 3 1 软件设计总体方案1 9 3 2 前置功率因数补偿电路的软件设计1 9 3 2 1 基于平均电流控制的算法结构2 0 3 2 2 平均电流给定的数字实现。2 l 3 2 3 电压环与电流环算法研究2 3 数字开关电源的研究 3 2 4 软件资源分配。2 4 3 3 后级d c d c 电路的软件设计2 5 3 3 1 电压型控制的算法结构。2 5 3 3 2 移相控制算法2 5 3 3 3 软件资源分配2 8 3 4 人机界面2 9 3 5 系统软件设计流程3 0 3 5 1 软件开机流程图3 0 3 5 2p f c 中断流程图3l 3 5 3d c d c 中断流程图。3 2 3 6 实验验证3 3 3 7 本章小结3 6 第四章数字单周期控制交错并联b o o s tp f c 技术3 7 4 1 单周期控制b o o s tp f c 工作原理3 7 4 2 单周期控制b o o s tp f c 的数字实现3 9 4 2 1 电感电流峰值采样算法3 9 4 2 2 电压环的设计目标4 2 4 3 软件设计和控制程序流程4 2 4 4 数字单周期控制b o o s tp f c 算法仿真4 4 4 5 实验验证4 7 4 6 本章小结4 7 第五章数字v 2 控制d c d c 变换器技术4 8 5 1v 2 控制b u c k 工作原理4 8 5 2v 2 控制b u c k 的数字实现4 9 5 2 1 后沿调制v 2 4 9 5 2 2 前沿调制v 2 5l 5 3 数字v 2 控制算法的仿真5 2 5 4 本章小结5 4 第六章结束语5 5 6 1 本文小结5 5 6 2 进一步工作展望5 5 参考文献5 6 南京航空航天大学硕士学位论文 致谢。5 9 攻读硕士学位期间发表的论文。6 0 v 数字开关电源的研究 图、表目录 图1 1 模拟控制开关变换器与数字控制开关变换器的结构图1 图1 2 数字控制的电源系统的典型结构框图6 图l - 3 单沿调制。9 图1 4 双沿调制。9 图2 1 两级p f c 方案图。ll 图2 2 数字控制器的系统架构1 2 图2 3 供电电路原理图13 图2 4m c 5 6 f 8 013 的复位电路l3 图2 5 采样电路1 4 图2 6p w m 输出电路1 4 图2 7d a 转换电路l5 图2 8b o o s tp f c 主电路15 图2 9 移相全桥倍流整流主电路17 图3 1 软件设计总体方案结构图l9 图3 2 平均电流控制的原理图2 0 图3 3 数字平均电流控制实现p f c 算法结构图2l 图3 4 数字正弦给定产生示意图2 l 图3 5 抑制积分饱和的p i 算法2 4 图3 6d c d c 单环控制算法结构图2 5 图3 7 半周期p w m 计数值重载2 6 图3 8 互补对p w m o 与p w m l 的半周期重载2 6 图3 9 移相角生成策略2 7 图3 1 0 移相全桥倍流整流六路驱动的时序图2 8 图3 1 1 电路状态显示界面2 9 图3 1 2 控制参数调节界面3 0 图3 1 3 前级p f c 的开机流程图3 0 图3 1 4 后级d c d c 的开机流程图3 l 图3 15p f c 电流环中断处理3l 图3 1 6p f c 电压环中断处理。3 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 7d c d i c 电压环中断处理3 2 图3 。1 8 蝴产2 2 0 v 时波形图( 满载) 3 3 图3 1 9q s l 管、q s 4 管、s l 管的驱动波形3 3 图3 2 0 p 庐3 0 0 w 时，q s l 管和q s 4 管的驱动和漏源极电压3 4 图3 2 1p m = 5 3 6 w 时，q s l 管和q s 4 管的驱动和漏源极电压3 4 图3 2 2 尸耐- 3 0 0 w 时，同步管s l 管的驱动和漏源极电压3 4 图3 2 3p m = 5 3 6 w 时，同步管s 1 管的驱动和漏源极电压3 4 图3 2 4 突加满载( v i n r m s = 2 2 0 v ) 。3 4 图3 2 5 突卸满载( v i n r m s = 2 2 0 v ) 3 4 图3 2 6 过载保护( i o u f = 1 2 a ) 3 5 图3 2 7 短路保护( i o u f l l a ) ：3 5 图3 2 8 人机界面运行状态显示图3 5 图3 2 95 0 0 w 数字控制开关电源原理样机3 6 图4 1 单周控制单相b o o s tp f c 电路原理图。：3 7 图4 2 单周期控制电路的工作波形3 9 图4 - 3 同步采样时序图4 0 图4 4a d c p w ms y n c h r o n i z a t i o n 二4 l 图4 5 交错并联b o o s t 电感电流峰值采样策略4l 图4 6 交错并联的两路驱动4 2 图4 。7 基于d s c 的单周期控制交错并联b o o s tp f c 系统框图。4 3 图4 8 电压环中断流程图4 4 图4 9p w m 重载中断里的单周期控制流程图4 4 图4 1 0 单周期控制单相交错并联b o o s tp f cm a t l a b 仿真4 6 图4 1l 交错并联b o o s tp f c v m 和如波形4 6 图4 1 2 交错并联b o o s tp f cg o 波形4 6 图4 1 3 交错并联总电流和各支路电感电流4 6 图4 1 4p i 调节器的输出4 6 图4 15 半载条件下输入电压、电流波形4 7 图4 1 6 满载条件下输入电压、电流波形4 7 图5 1v 2 控制b u c k 变换器原理图4 8 图5 2v 2 控制b u c k 变换器波形4 9 图5 3 数字v 2 控制b u c k 变换器结构图4 9 v 数字开关电源的研究 图5 4 后沿调制v 2 控制波形5 0 图5 5 前沿调制v 2 控制波形5l 图5 6v 2 控制b u c k 变换器仿真框图5 3 图5 7 稳态输出电压波形5 4 图5 8 负载突增输出电压波形5 4 图5 9 负载突降输出电压波形5 4 表3 1 前置功率因数补偿控制占用d s c 的资源2 4 表3 2d s c 使用的中断及其任务。2 5 表3 3 移相全桥控制占用d s c 资源2 8 表3 4d s c 使用的中断及其任务2 8 表3 5l1 0 v 输入各功率条件实验数据3 3 表3 62 2 0 v 输入各功率条件实验数据3 3 表4 1 系统实验数据4 7 表5 1 四种调制方式的数字v 2 控制算法5 2 v s s o p s i n g l es a m p l i n gi no n ep e r i o d d c d c d i r e c tc u r r e n t - d i r e c tc u r r e n t p f c p o w e rf a e t e rc o r r e c t i o n t r d t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n 二、基本符号及其意义 基本符号 意义 l滤波电感 c 滤波电容 q 。( n = l - 2 ) p f c 开关管 如 输出功率 如 输入功率 g 输入滤波电容 一变压器原副边匝比 s i 、s 2 同步管 一周期采样一次采样法 直流直流 功率因数校正 总谐波畸变 意义 直流母线电压 输出电压 交流输入电压 输入电压的有效值 全桥开关管 变压器漏感 电感电流 输出电流 i x 号 符 。i 上 鞘增晰h屯k j 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力电子技术是重要的支撑科技，据美国总统科学和技术顾问委员会提出，能源、环保、 资讯与通信、生命科学、材料和交通等国家关键性的科技领域无一不与电力电子有关。开关电 源技术是电力电子技术【l 】的一个重要领域，有着广阔应用前景，近年来，随着d s p 等电子器件 的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。用于开关电源的数字控制器 已经在电力电子领域中引起了越来越多的关注1 2 1 ，各种在模拟电路中难以实现的现代控制方法 也开始应用于开关电源的控制中，大大丰富了开关电源的控制方案。 1 2 数字控制系统的概述 信号处理实际就是构造信号与信号之间的传递函数，实现方法有两种：模拟方式和数字方 式。模拟方式使用电容、电阻、运算放大器等模拟器件来直接实现滤波、补偿、比较等控制功 能，而数字方式则是先将模拟量数字化，再进行数字处理，然后还原成模拟信号。 ( a ) 模拟控制开关变换器 ( b ) 数字控制开关变换器 图1 1 模拟控制开关变换器与数字控制开关交换器的结构图 数字开关电源的研究 图1 1 为模拟控制开关变换器与数字控制开关变换器的结构图【3 】。两者相同的部分为功率 单元和滤波单元，不同部分在于控制单元：模拟控制开关变换器采用模拟控制器，包括模拟补 偿网络、脉冲宽度调制器( p w m ) 和斜坡信号；而数字控制开关变换器采用数字控制器，包括模 数转换器( a dc o n v e r t e r ) 、数字补偿器( c o m p e n s a t o r ) 和数字脉冲宽度调制器( d p 、m ) 。 模拟控制系统是传统的电路控制形式，经过多年研究，技术已经非常成熟。随着电力电子 技术及其控制技术的不断发展，模拟控制的局限性也越来越明显。首先，模拟元器件的元器件 老化问题和不可补偿的温漂问题，以及受环境干扰( 如工作环境温度，电磁噪声等) 等因素都 会影响控制系统的长期稳定性。同时，模拟控制系统需要大量的分立元件和电路板，器件数量 多，制造成本高，对于每一个采用模拟控制的电路装置，其控制系统都需要专门的设计。每一 次产品的更新换代，都需要重新设计、制作它们的控制系统。另外，目前大多数的模拟控制回 路，仍采用传统的p i t ) 调节，而很少采用现代控制理论提供的控制方案。 在高性能低价格的微控制器和d s p 处理器不断涌现的今天，数字控制系统的应用越来越 广。因为与传统的模拟控制器相比，基于d s p 的数字控制器具有如下优点： 系统构成简单和可靠性高 与模拟控制相比，完成同一任务，数字信号处理器的外围电路简单，数字控制器使用非常 少的模拟元器件，解决了模拟控制中元器件老化和温漂带来的问题。 灵活性强和兼容性好 传统的模拟控制器是通过调节和改变具体元件的参数值来实现不同的控制规律。如果电源 的某一具体要求改变了，设计者需要使用另一组具有不同参数值的元件来重新设计和制作控制 器，这样不可避免地会造成许多资源上的浪费， 软件编程就可以修改控制算法或提高系统性能， 而且设计周期比较长。而数字控制器只需通过 这使得设计工作变得相当灵活，容易实现系统 的升级。还可以利用d s p 芯片的高处理能力实现传统的模拟方法不能实现的一些复杂控制算 法，大大提高系统的性能( 如可以减小电流的纹波，减小滤波器的尺寸等) 。另外也可以对不同 的系统或产品采用统一的控制板，在主电路板上设计统一的接口，系统的兼容性好。 易于实时监控 随着人们对电源的故障管理、运行状态的监测与控制的要求越来越高，而这些需求通过模 拟电路是很难实现的，于是在一些要求较高的电源中开始加入了微处理器来实现对电源各种状 态信息的采集与处理，并可以和上位机进行通讯，为用户提供电源的实时诊断信息。数字控制 电源使对电源的工作状态的远距离监测成为了可能，如设计人机界面，利用d s p 与外界的通 讯实时显示系统的运行状态的各个参数，完成与系统间友好互动。 1 3 数字控制电源的发展和现状 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 1 数字处理器的发展 数字处理器是数字电源的核- b t 4 1 t 5 1 ，当今，在电源数字化方面走在前面的公司有美国德州 仪器公司( 简称t i ) 和美国微芯科技公司( 简称m i e r o c h i p ) 。t i 公司既有d s p 方面的优势， 又兼并了p w mi c 专业制造商u m w o d e 公司，现在t i 公司已经研制出了多款数字式p w m 控 制芯片，目前主要是u c d t 0 0 0 系列、u c d 8 0 0 0 系列和u c d 9 0 0 0 系列，他们将成为下一代数 字电源的探路者。而作为电源转换行业领先的单片机和模拟控制产品供应商m i c r o c h i p 集中所 有技术、设计、生产等各方面资源发展了拳头产品p i c 8 位m c u 和高品质的串行e e p r o m 。 数字信号处理器( d s p ) 世界上第一个d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发 布商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。在这之后，最成功的d s p 芯片是t 1 公司的一系列产品。 1 r i 公司是当今世界上最有影响力的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近 5 0 。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、 1 m s 3 2 0 c 1 0 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 31 c 3 2 ，第四代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，以及目前速度最快的第六代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。1 1 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包 括1 m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、1 m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x ，c 6 7 x ) 。 d s p 芯片与普通c p u 的区别在于【6 】【7 】： 首先，普通c p u 做乘法和加法都要调用相应的乘法、加法函数；做循环时要有循环量，每 次循环变量加l 后再判断是否已经循环了玎次，这过程是比较慢的。而d s p 则在硬件设计上 针对这类计算采取了一些独特的设计，以求最快的运算速度，以至于趋于模拟电路的延迟时间。 d s p 能在一个时钟周期内完成加法和乘法运算。在循环方面，d s p 有诸如重复咒次( r e p e a t 以) 或循环行次( d ol o o p 丹) 等指令，使d s p 能迅速完成玎次循环，而不必每次都检查是不是已经 循环了疗次了。 其次，d s p 采用哈佛结构，而传统c p u 多采用冯诺曼结构( v o nn e u m a n n ) 。冯诺曼结构 指的是将程序与数据统一编址，不区分存储器的程序空间和数据空间；而哈佛结构是将程序空 间与数据空间分开编址，这样在d s p 处理数据空间运算与数据传输的同时可以并行地从程序空 间读取下一条指令。采用哈佛结构，将程序空间与数据空间分开编址的好处是速度快，读程序 和读属数据可以同时进行。 再次，d s p 在内核设计方面还有一个特点是采用多重流水线结构。流水线结构的层次深度 3 数字开关电源的研究 可以从3 级到6 级。程序的执行过程大致可分为读指令、指令译码、指令执行等几个阶段。d s p 在第一个时钟周期内读第一条指令；在第二个时钟周期内在译码第一条指令的同时读入第二条 指令；在第三个时钟周期内执行第一条指令，译码第二条指令，同时读入第三条指令。这样， 虽然执行一条指令仍需要3 个周期，可是由于并行的流水线处理，看起来好像每条指令都是在 1 个周期内完成的。 可见，d s p 最显著的特色就是运算速度快，拥有强大的计算处理能力。 数字信号控制器( d s c ) 传统微控制器( m c u ) 做控制应用时设计十分简便，但数字处理能力弱；传统d s p 具有 强大的计算处理能力，但由于缺乏作控制应用必需的片上闪存、数据接口、a d c 等外设，其控 制应用不是很友好，因此，d s p 与m c u 融合成为数字电源行业发展趋势。 数字信号处理器d s c 是综合了m c u 和d s p 功能的专用处理器，是d s p 高性能与m c u 易用性的完美融合。一方面具有d s p 的c p u ，所以有强大的计算能力和数学计算速度，另一 方面具有作控制应用所必须的外设和片上应用模拟模块。作为d s p 行业绝对领导者的t i 和 m c u 领域的佼佼者m i e r o c h i p ，两家半导体巨头都对数字电源应用前景非常乐观，分别从传统 d s p 和传统m c u 角度切入，以融合d s p 与m c u 的d s c 解决方案进军数字电源领域。1 r i 最 新推出主要面向数字电源控制的t m s 3 2 0 f 2 8 0 x 数字信号控制器d s c ，不仅具备3 2 位d s p 输 出处理性能，而且实现了与m c u 相似的外设集成，每秒3 7 5 万次采样的1 2 位模数转换器 ( a d c ) 、正交编码( q e p ) 接口、最新专利的1 5 0 微微秒( p s ) 分辨率的脉宽调制( p w m ) 输出通道，并具有c a n 、u a r t 、s p i 等端口。与此同时m i e r o e h i p 日前也推出了最新的d s c 产品，适用于通用、多回路开关电源( s m p s ) 和其他电源转换应用的1 6 位d s c 系列d s p i c ， 具备分辨率i n s 的p w m ，以及可实现低延迟时间和高分辨率控制，每秒2 0 0 万次采样的1 0 位 a d c 。这些产品具有“智能电源应用”，让电源设计人员能够针对具体的产品应用方便地进行优 化。但是与1 r i 从高端应用切入不同，m i e r o e h i p 的产品主要针对低端或简单级别的数字电源的 控制，价格2 9 9 美元，对某些具体应用而言也颇具成本优势。 f r e e s e a l e 公司也最新推出了主频3 2 m h z 的基于5 6 8 0 0 e 8 】核心的数字信号控制器d s c ，在 保留强大的d s p 处理能力同时，具有编程简单和代码紧凑等优点。凭借灵活的外设接口配置， 它在单个芯片上组合d s p 处理功能和m c u 功能，从而创建了一个非常经济高效的解决方案， 同时它针对电力电子专业应用优化设计其外设资源，具有不对称输出p w m ，同步采样的a d c 模块等，这使得d s c 在电力电子中的设计和应用越来越方便。目前f r e e s c a l e 主推的高性能d s c 芯片，以低成本m c 5 6 f 8 0 3 7 为例，集成- j g l ： 6 4 k b 片内非易失性存储器( f l a s h ) 和8 k b 的高速的随机存储器( r a m ) ； 片内闪存可以实现e 2 p r o m 的功能； 4 南京航空航天大学硕士学位论文 高速，高性能p w m ( 达9 6 m h z ) ： 高精度a d c ( 1 2 位，采样率达2 6 7 m s p s ) ； 高性能，多种组合的串行通讯接e l ( i i c ，q s c i ，q s p i ，c a n ) ： 高性能模拟量模块( a d c ，d a c ，模拟比较器) ； 高集成度通用数字i o 口( g p l o ) 。 m i c r o c h i p 副总裁s u m i tm i t r a 表示“数字电源d s c 系列开辟了新的天地。数字电源现在具 有了价格、性能、灵活性及能效方面的优势，必将引发一场新兴的数字电源革命。”【l o 】 1 3 2 数字控制电源的发展 目前，实现开关电源的数字控制主要有两种方法：一种是单片机通过外接a d 转换芯片进 行采样，对采样数据进行运算和调节，再把结果通过d a 转换后传到p w m 芯片中，实现单片 机对开关电源的间接控制。这种技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单片机的 要求不高，成本比较低。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；单片机经过a d 和 d a 转换，有比较大的延迟时间，这将会对电源的动态性能和稳压精度造成影响。也有一些单 片机内部集成有p w m 模块，可以用于开关电源的控制。但随着开关电源的高频化发展，一般 单片机的时钟频率有限，处理速度无法满足高频实时运算要求，同时也无法产生足够分辨率的 p w m 输出信号。第二种方法是通过高性能数字处理器芯片，对电源实现直接控制，数字芯片 完成信号采样a d 转换和p w m 输出等工作，由于输出的数字p w m 信号功率不足以驱动开关 管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动，这样可以大大简化控制电路的设计。并且由于这 些芯片有比较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法，实现对电 源的有效实时控制。基于d 峁的电源系统具有较好的动态性能和稳压精度，目前d s p 技术已 经应用于开关电源中，尤其是用在对电源性能要求比较高的领域中。除了d s p 方案，m c u 长 于控制，鉴于d s p 和m c u 两种方案各有长处，越来越多的厂商开始将硬件d s p 和m c u 同时 集成入芯片中，即应运而生的d s c ，使系统性能最优，效率已经可以与模拟电源相媲美。随着 越来越多的数字技术的应用，开关电源智能化的浪潮逐渐席卷全球，数字技术的不断发展以及 控制器功能的不断增多，使得业界都十分看好数字控制电源的前景。 尽管如此，在要求较高的数字电源设计中，数字控制仍有其自身需要考虑的问题： ( 1 ) 为了保证电源有较高的稳压精度，a d 转换器必须有较高精度的取样，但高精度的取 样频率需要更长的a d 转换时间，造成回路的实时反应能力变差，而且，高速的采样和运算将 产生巨大的运算量，能达到实时要求的核心处理器还是很少的。虽然在要求比较高的场合一般 都会用d s p 芯片，其运算和取样速度快，功能强大，但d s p 芯片结构复杂，成本比较高，而 且d s p 控制技术比较难掌握，对设计者要求比较高。通用d s p 芯片不是专门作为电源控制芯 5 数字开关电源的研究 片使用的，一般的电源应用对通用d s p 芯片资源的利用率不高，这就要求面向开关电源的专用 芯片技术不断提高。目前以d s p 为主要处理单元的数字电源芯片厂商，如t i 、f r e e s c a l e 等公 司都在优化其作为数字电源核心的d s p 的结构，同时努力降低成本，并改善开发手段( 如提供 评估板、p i 模块等) ，以帮助开发人员轻松地如期完成开发。 ( 2 ) 软件设计对数字电源设计人员而言是另一个挑战。目前，由于绝大多数开关电源设计 人员一直采用传统模拟电路，数字控制电源技术还处于摸索过程中，需要建立起一套新的理论 和方式方法。在电源系统数字化、智能化的趋势下，对电源的状态控制和了解要求也越来越高， 模拟控制转到数字