【参考】基于dsp（数字信号处理器）的反激式数字开关电源的设计

1、皖西学院本科毕业论文（设计）基于dsp的反激式数字开关电源的设计摘要：开关电源具有体积小、效率高等非常多的优越性，在微型计算机、通讯电源、家用电器等领域中得到了广泛的应用。采用模拟控制方式的开关电源存在参数温度漂移、抗干扰能力差、可配置性不强等诸多缺点。随着微电子技术的不断发展，开关电源的数字化研究己成为开关电源的热点。 本文研究与开发了一种基于dsp的反激式数字开关电源，阐述了开关电源的基本原理，应用状态开关平均法建立其大信号模型。在此基础上，结合设计指标，详细探讨了基本参数的选取原则，如滤波电容、高频变压器、开关应力、吸收电路结构和参数，这是开发出满足用户需求且具备较高性价比产品的重要环节

2、。在硬件方面，为了保证输出性能优越和隔离要求，应用高精度线性光祸设计了输出电压采样电路;为了系统安全可靠的运行，设计了度检测环节，防止器件过温失效;为了调试和应用的方便，开发了基于lcd的友好人机接口。在控制策略方面，为了保证系统的动态性能和鲁棒性，本设计采用模糊pid控制算法，在系统小信号模型的基础上，设计了模糊规则表，利用查表法选取参数，减小了算法的复杂度。为了克服开关干扰，设计了emi滤波器，同时对系统抗干扰设计也进行了详细的阐述。关键词： 反激式开关电源 dsp 模糊pidbased on the dsp flyback digital switching power supply d

3、esign abstract :switching power supply has the advantages of small volume, high efficiency advantages, in the micro computer, household appliances, communication power supply and other fields have been widely applied in. analog control mode switching power supply temperature drift, poor anti-interfe

4、rence ability is not strong, can be configured. with the development of microelectronics technology, switching power supply switching power supply digital design has become a research hot spot. in this paper, the research and development of a dsp based flyback digital switching power supply, switchi

5、ng power supply is introduced. the basic principle, application status switch average method to build the large signal model. on this basis, combined with the design target, discussed the basic principle of selecting the parameters, such as the filter capacitor, switch stress, high frequency transfo

6、rmer, absorbing circuit structure and parameter, which is developed to meet user needs and have a high cost-effective products an important part. in the hardware aspect, in order to ensure superior output performance and isolation requirements, application of high precision linear optical woe design

7、ed output voltage sampling circuit; in order to safe and reliable operation of system, design of detecting, preventing device over-temperature failure; for the convenience of debugging and application, development of the friendly man-machine interface based on the lcd. in the control strategy, in or

8、der to ensure the system dynamic performance and robustness, the design of the fuzzy pid control algorithm, the system small signal model based on fuzzy rule table, design, using look-up table method to select parameters, reduce the complexity of algorithm. in order to overcome the interference of s

9、witch, emi filter is designed, the system anti interference design in detail. key words: flyback switching power supply dsp fuzzy pid 目录1绪论11.1课题的研究背景及意义11.2开关电源的发展及趋势21.3开关电源数字化研究现状21.4本文主要研究内容及章节安排32开关电源设计的技术基础42.1开关电源概述42.1.1开关电源的基本组成42.2开关电源的模拟控制方法42.3开关电源的数字控制方法72.3.1开关电源数字控制的优势72.3.2开关电源数字控制的实

10、现方式82.4开关电源的控制算法112.4.1 pid控制算法112.4.2控制算法的选择142.5 tms320f2812简介142.6 本章小结163基于dsp的反激式数字开关电源的总体设计173.1系统性能指标173.2系统的硬件设计173.2.1系统硬件方案设计173.2.2输出电压检测电路设计183.2.3电流检测电路203.2.4驱动电路设计203.2.5温度检测电路213.2.6液晶显示模块接口223.2.7 emi滤波器243.2.8抗干扰措施263.3系统软件设计273.3.1系统软件设计方案273.3.2主程序设计273.3.3 a/d中断子程序283.3.4辅助功能模块子

11、程序设计283.3.5系统软件抗干扰措施303.4本章总结304结论与展望314.1结论314.2展望31参考文献33致谢341绪论1.1课题的研究背景及意义 随着电力电子技术的高速发展，开关电源得到了广泛应用，日新月异的高科技产品也对开关电源提出了更高的要求。开关电源的模拟控制技术也发展了很多年，各方面都比较成熟，但无法克服其固有的缺点:采用模拟器件导致器件比较多、分散性大、稳定性较差，控制电路一旦成型很难修改，调试不方便，控制不灵活，难以实现复杂的控制算法等。近年来，市场对数字化开关电源的需求大幅攀升。先进的半导体工艺技术不但使元器件速度更快、体积更小，而且它们还要求更低的供电电压和更高的

12、供电电流;与此同时，系统的功能不断持续提升，而体积和平均售价则不断下降。这些因素迫使开关电源设计者要不断地开发出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小、成本更低和上市时间更短的开关电源产品。 随着数字控制方法、数字控制电路结构的发展和数字化开关电源市场需求的驱动，数字化控制开关电源在电源领域里的优势将会越来越明显。数字开关电源技术为开关电源设计领域注入了新的活力，同时也对开关电源设计人员提出了更高的要求。很多专家学者在对开关电源的主电路进行改进和设计方面取得很多的研究成果和进展，先后推出了各种拓扑结构来解决开关变换器中存在的问题。这些新的拓扑结构虽然在一定程度上提高了开关电源的系统性能，但这

13、一方面的改进仅限于主电路，其功能必然受到电路中各种电子元器件的限制，使得效果有限。开关变换器在数字控制方面的研究仍然面临很多问题，结合目前开关电源数字化研究面临的问题，本文研究与开发了一种基于tms320f2812的反激式数字开关电源。在硬件研究方面，为了保证输出性能优越和隔离要求，应用高精度线性光藕设计了输出电压采样电路;为了系统安全可靠的运行，设计了温度检测环节，防止器件过温失效;同时为了调试和应用的方便，开发了基于lcd的友好人机接口。在控制策略方面，为了保证系统的动态性能和鲁棒性，本设计采用模糊pid控制算法，并与常规pid控制算法进行比较。 本课题的研究意义在于将dsp控制技术引入到

14、电力电子的开关电源领域，实现数字化采样、运算、控制输出、系统监控和人机接口等功能。充分发挥dsp处理器精度高、速度快等特点，将电力电子与嵌入式技术相结合，以提高开关电源的输出精度、智能度、集成度和系统稳定性。1.2开关电源的发展及趋势 我国的开关电源己有几十年的发展历史，如今已经走到第5代。上世纪60年代初开始研制的开关电源是第一代，从线性电源刚开始走向开关电源，开关频率很低，成本昂贵，仅用于军事、航空航天等少数领域。70年代开始研制无工频降压变压器开关电源是第二代，因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。80年代初研制的属第三代，随着电力电子技术与半导体技术

15、的大力发展，我国的许多研究所、工厂及高等院校着手研制多种型号的工作频率在20khz左右，输出功率在 1000w以下的无工频降压变压器开关电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，10多年来取得了较好的效果。在这期间，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才得到发展。目前，开关频率已从20khz左右提高到几百千赫兹甚至兆赫兹。在90年代中期开始研制的开关电源属第四代，欧盟要求开关电源的设计要考虑来管理开关电源设备，从而提高开关电源系统的可靠性。智能化监控技术的应用，使得维护人员面对的不再是复杂的器件和电路，而是一个人机表达和交流的信息，大大改进了维护管理，同时也大大简化了电子设计工程师

16、的工作。1.3开关电源数字化研究现状 在所有的控制功能全部使用数字技术实现之前，开关电源的数字控制器只能达到半数字化阶段。对于控制器中技术难度最高的功率开关控制部分，仍存在许多技术难点需要解决，这己逐渐成为当今学术界研究的热点。早期，由于数字器件的性能、价格等因素的限制，数字控制技术在开关电源中用得较少。尤其当开关频率达到100khz至数mhz的高频时，成本、能耗以及许多具体的技术困难限制了高频开关电源数字控制器的市场化进程，使得价格低廉的模拟控制器仍然主宰着消费开关电源市场。 在过去的二十多年中，基于通用或专用微处理器、数字信号处理器、以及可编程逻辑器件等技术，数字控制技术在诸如电机控制、三

17、相逆变、功率因数校正等电力电子应用领域中得到逐渐普及。近年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发出来，费用也已降到比较合理的水平，数字控制技术才广泛地应用于开关电源的控制。由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、开关电源动作状态的远距离监测成为了可能。开关电源市场中，从质量、交货期等方面来看，标准开关电源正在成长壮大。然而，开关电源的使用方emc(电磁兼容)，包括pfc方面的高次谐波要求，在这同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。瞬态电压抑制器 (tvs)、压敏电阻器 (tl431)、电磁干扰滤波器 (emlfilter)、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠(magn

18、eticbead)等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源推广与普及提供了必要条件。新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关管工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高开关电源工作效率。开关电源作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能数字化和使用环境绿色化的方向发展。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。1.4本文主要研究内容 针对数字开关电源存在输出电压精度低和动态性能差的问题，本文开展基于dsp的反激式数字开关电源的设计。通过高性能数字芯片t

19、ms320f2812对开关电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样、a/d转换和pwm输出等工作。由于输出的数字pwm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。这样就可以简化控制电路的设计，同时芯片有比较高的采样速度 (tms320f2812内部的12位ad转换器完成一次ad转换只需60ns)和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对开关电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。 2开关电源设计的技术基础 一般而言，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路，转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源。本

20、章将简单介绍有关开关电源的设计技术基础:开关电源概述、开关电源的控制方法、控制算法及dsp芯片简介。2.1开关电源概述2.1.1开关电源的基本组成 一般地，大致开关电源由输入电路、功率变换电路、控制电路和输出电路四个部分组成。图2-1所示为开关电源电路的基本结构框图。它包括整流滤波电路、dc-dc变换器、开关占空比控制器及取样比较电路等模块。图2-1 开关电源的基本结构框图 开关电源电路有其复杂的电路组成，但是主要的电路组成还是相对固定的，有输入滤波电路、供电电路、控制电路、电压反馈电路、电流检测电路、功率转换电路、误差放大电路和输出滤波电路等。2.2开关电源的模拟控制方法 开关电源为了实现高

21、速响应，通常采用模拟电路对其进行控制。模拟控制有其固有的优点，诸如电路成熟、应用方便、实时性好等。所以在对开关电源要求性能不是很高的情况下得到广泛的应用。开关电源的模拟控制方法已经使用了数十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3种:脉冲宽度控制方式pwm、脉冲频率控制方式pfm和pwm-pfm混合控制方式。 (1) pwm控制 pwm控制是用固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比d实现对输出电压的调整。pwm技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此pwm技术普遍应用于通信技术中。pwm控制方式根据反馈采样的不同

22、可分为:电压模式和电流模式。 下面简单介绍pwm控制的工作原理，如图2-8所示。(a)图开关电源的主电路拓朴为buck电路，锯齿波信号的频率和幅值固定不变，将输出电压与参考电压ut通过运算放大器进行比较、放大及反馈得到误差电压，然后由误差电压与锯齿波电压的比较结果产生pwm输出，并用来控制开关管tr的导通和截止。图(b)中tr的导通时间是锯齿波电压发生器的复位点和正向锯齿波与误差电压交点之间的时间。如果ue是误差电压与锯齿波相交点的电压，u是锯齿波电压的幅值，则占空比为d=ue/u，若输出电压比要求的电压低，则产生的误差电压大。由d=ue/u和图(b)可知，导通的脉宽加长，输出电压增加，从而达

23、到稳定的目的。反之，当输出电压比要求的电压高，则产生的误差电压小，导通的脉宽变窄，导致输出电压降低，亦能达到稳定输出电压的目的。图2-8 pwm控制的工作原理图 集成的pwm控制器主要有tl494、sg3524、sg3525a、uc3842和uc3846等。 (2) pfm控制 pfm控制是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。保持开关管的导通时间ton一定，而改变其截止时间toff来稳定输出电压的。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器(例如压控振荡器vco)改变频率。具有pfm控制的开关电源的结构框图如图2-9所示。pfm控制的基本原

24、理是:当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。波形如图2-10所示。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载。pfm控制模式的主要缺点是开关周期成为负载的函数，开关转换器显得比较无序，并且开关噪声无法预测，负载调整范围窄，滤波成本高。这在无线通信领域就不是很合适。但是，在很多待机的情况下，选择pfm是非常合适的。比如，便携式移动系统在接收发送信号时，选择pwm工作模式，因为pwm开关噪声频谱比较好控制，在待机的情况下，选择pfm工作模式，就可以提高系统的效率。目前pfm控制方式在开关电源中使用己经比较普遍，可以实现

25、快速的上升时间和输出电压超调量的消除，具有以下优点:具有较小的静态电压，静态功耗很小，在轻负载时的输入电流比pwm控制小10至100倍，效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。具有pfm功能的集成芯片有max641、tl497、uc1864等。 图2-9 pfm控制的开关电源的结构框图图2-10 pfm控制方式波形图 (3) pwm-pfm混合控制方式 pwm控制是靠改变开关管的导通时间ton。与周期t(周期不变)之比来稳定输出电压的，pfm控制是保持开关管的导通时间ton。一定，通过改变其截止时间toff来稳定输出电压的。而pwm-pfm控制则是靠改变ton。和toff两个参数(t=

26、ton+toff也同时变化)来实现输出电压的稳定。应该说脉冲频率控制 (pfm升脉冲宽度控制 (pwm)混合控制电路是突破传统的一个近乎完美的结合。采用pfm-pwm混合控制方式的开关电源，当输入电压较低时执行pwm控制模式;而输入电压较高时切换至pfm控制模式。 传统的开关电源采用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点:（1）因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降;（2）由于人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统的一致性差;（3）器件老化及热漂移问题的存在，导致电源输出性能下降，甚至导致输出失败;（4）产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制

27、开关电源，若不改动硬件，升级是不可能的，每一个新型的开关电源都要求重新设计、制造控制系统;（5）模拟控制的开关电源的监控功能有限，一旦出现故障，要想恢复正常，技术人员必须亲赴现场。2.3开关电源的数字控制方法2.3.1开关电源数字控制的优势 数字化已成为信息社会主流的今天，电力电子的数字化控制也是势不可当的。随着大规模集成电路asic、现场可编程逻辑器件fpga及数字信号处理器dsp技术的发展，开关电源的控制逐渐由模拟控制转向数字控制，即向数字化方向发展。开关电源实现数字化可带来以下优势: (1)数字控制易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得开关电源的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控

28、制代表了自动控制的最新发展阶段，继承了人脑的定性、变结构、自适应等思维模式，也给电力电子控制带来了一条崭新的思路。在高频开关工作状态下，开关电源的模型更加复杂化，使得模拟控制或经典控制理论难于对其进行精确建模和控制，采用先进、复杂的智能控制策略，可以从根本上提高系统的性能指标。 (2)控制系统灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期。数字控制系统的控制方案集中体现在控制程序上，而微处理器一般都具有丰富的片内外资源。硬件资源配置确定后，只需要通过修改控制软件，就可以提高原来的控制系统性能，或者根据不同的控制对象实时、在线更换不同的控制策略软件

29、。 (3)控制电路的元器件数量明显减少，因此缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力。 (4)控制系统的可靠性提高，易于标准化。由于数字控制的高可靠性，必然使整个控制系统的可靠性得到提高，而且可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，只是对控制软件作一些调整即可，这对于生产厂家而言，无疑有着巨大的吸引力。 (5)系统的一致性较好，生产制造方便。由于控制软件不会像模拟器件那样存在差异，所以，对于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也没有模拟系统中模拟器件调试带来的差异问题。这样，同一型号控制板的性能一致性就会比模拟系统高很多。2.3.2开关电源数字控制的实现方式 开关电源的数

30、字控制方式是针对模拟控制存在的固有缺点而发展起来的，也形成了一系列的控制方式，主要有3种:单片机控制、dsp控制和fpga控制。（1）单片机控制 以单片机系统为基础的新一代智能开关电源电路简单、结构紧凑、性能卓越、功能全面。由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而抑制或消除各种干扰信号和模块电路引起的误差，提高开关电源输出电压和控制电流精度，因而用单片机控制开关电源是当前智能化开关电源设计的主流。 以图2-11所示的单片机控制开关电源结构框图为例简要说明单片机控制的工作原理。从图2-11中可以看到，50hz220v的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰后，进入到输入整流

31、滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出到负载。由单片机产生的脉宽可调的pwm控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。利用单片机高速adc转换通道定时采集输出电压、输出电流和温度，并与期望值比较，根据其误差进行调节。电压采集电路实现了直流输出电压的采集，并使其与a/d转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。 这种基于单片机控制的开关电源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

32、比较低。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂;单片经过a/d和d/a转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。也有单片机集成了pwm输出，但开关电源往高频化发展，一般单片机的时钟频率有限，产生的pwm输出频率和精度反比，无法产生足够频率和精度的pwm输出信号。 图2-11 单片机控制开关电源结构框图（2）基于dsp控制 数字信号处理器(dsp)已广泛应用于开关电源的控制，采取dsp作为开关电源的控制核心，可以用最少的软硬件实现灵活、准确的在线控制。充分发挥dsp的高速性、实时性、可靠性等方面的特点，结合相应的软件，应用相应的算法实现特定功能，输出了质量较好、频率和幅值可任意

33、改变的控制信号。以图2-12所示的dsp控制的开关变频电源基本控制硬件框图为例简要说明dsp控制的工作原理。开关变频电源采用高频spwm技术和通用电压型单相全桥逆变电路，选取igbt功率模块作为开关器件，控制电路采用dsp全数字化设计。输出电压和电感电流通过采样网络，将输入信号转换为dsp所需要的电平，接至dsp的a/d转换口，通过键盘键入所要求的输出电压值、频率值，由sci模块与dsp实现通讯。得到逆变器当前工作的基准电压信号，经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，与dsp定时器产生的三角波载波信号相交截，输出带有一定死区的驱动控制信号，经驱动单元进行隔离放大后送到igbt。dsp可以把

34、当前时刻的输出电压、频率值送给单片机并在8位led上显示出来。为了保证过压、欠压、过流(过载)的情况下能有效地保护功率开关和负载，还设置了保护电路，一旦出现故障，pdpint引脚为低电平状态，封锁驱动脉冲控制信号，切断开关变频电源输出。通过高性能数字芯片dsp对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样ad转换和pwm输出等工作，由于输出的数字pwm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。这样就可以简化控制电路的设计，由于这些芯片有比较高的采样速度(tms320lf2407内部的10位ad转换器完成一次ad转换只需500ns，最快的8位单片机最快也要几微秒).和运算速度，可以

35、快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。但是dsp芯片结构复杂，成本比较高，而且dsp控制技术比较难掌握，在开关电源领域中难以广泛应用。目前dsp技术已经在开关电源中开始应用，但主要局限在对电源性能要求高的而且价格比较昂贵的领域。图2-12 dsp控制的开关变频电源基本控制硬件框图 与单片机控制相比，dsp控制在总线结构、数据处理能力以及指令执行时间上，都有明显的优势。它的控制过程与单片机控制过程一样，只是运算功能更加强大，解决了单片机动态响应不足的缺点。（3）基于fpga控制 fpga具有容量大、逻辑功能强的特点，而且兼有高速、高可靠性的优点。其内

36、部主要分为2个模块，第1个模块是由软核cpu组成的通信管理模块，第2个模块是由几个dsp块组成，主要完成调节器的pi或pid运算、高分辨率pwm信号的产生以及数字滤波等。由fpga内部结构可以看出，它能够在产生数字pwm波形的同时实现外部通信、显示等功能，由于内部有多个dsp块，所以它可以采用非常复杂的算法来进行控制和时延补偿。用fpga控制可以得到非常好的控制精度和动态响应，只是在使用的时候需要外加高精度a/d转换器。图2-13给出了一个用fpga控制开关电源的结构框图。与dsp控制相同，虽然它的性能优越，但是价格昂贵，有时甚至一块fpga芯片的价格就比一台用传统模拟pwm芯片设计的开关电源

37、高出许多。除了上述3种控制方法外，还有几种组合控制方法。比如:单片机与cpld的组合、dsp与cpld的组合和dsp与fpga的组合等。 图2-13 fpga控制开关电源的结构框图2.4开关电源的控制算法 开关电源的数字控制，都需要一定的控制算法来实现其控制规律。由于数字控制规律的设计最初常借鉴模拟控制经验，所以pid算法在数字控制中的应用非常普遍，甚至占据了主导地位。在数字控制中，除了最常用的pid算法外，由于数字控制规律的设计非常灵活，因此还可以实现在模拟控制中难以实现的一些其它控制算法，如智能控制、仿人智能pi控制、自适应控制、专家控制和模糊控制等，以及这些方法的相互结合而成的新控制算法

38、。2.4.1 pid控制算法 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现pid控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使pid控制更加灵活。同时，使原来在模拟pid控制器中无法实现的控制方法在数字控制中就能得到解决。（1）pid控制原理 pid控制是应用最广泛的一种控制规律，.常规pid控制系统原理框图如图2-14所示，系统由pid控制器和被控对象组成。pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差。其控制规律为: (2-2)或写成传递函数的形式: (2-3) 式中:kp-比例系数，tl-积分时间常数

39、，td-微分时间常数图2-14 模拟pid控制系统原理pid控制器各校正环节的作用如下:比例环节:即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，提高控制精度。积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度，从而使系统的稳定性提高。积分作用的强弱取决于积分时间常数tl，tl越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节:能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 从频域的角度分析pid控制器，pi控制作用如同相位滞后补偿器，它影响低频段，增大低频增益以改善稳定精度。pd

40、控制的作用类似相位超前补偿器，它影响高频段，不仅增大相位超前角，改善系统的稳定性，同时增大系统的带宽，使得系统的响应速度加快。 数字pid控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续域pid控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。数字pid控制算法又分为位置式pid控制算法和增量式pid控制算法。还有一些改进算法如积分分离法，遇限削弱积分法，不完全微分法，微分先行法和带死区的pid控制算法等。（2）位置式pid控制算法 按模拟pid控制算法，以一系列的采样时刻点kt，代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，得离散pid表达式: (2-

41、4) 位置式pid算法原理图如图2-15所示，其程序流程图如图2-16所示。图2-15 位置式pid算法控制原理图图2-16 位置式pid控制算法流程图（3）模糊pid控制算法 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国学者查德于1965年首先提出的。模糊控制是应用模糊集合理论的控制方法，提出一种基于规则的控制规律的机理。其基本思想是基于专家经验和领域知识，总结出若干条以if(条件)then(作用)形式表示的模糊控制规则，构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系。模糊控制不需要建立变换器的数学模型，而直接以语言的形式表达设计人员的直觉和经验，通过

42、模糊化、模糊规则推理、去模糊化三个过程得到控制输出量，特别适用于 dc-dc变换器这种对象参数具有不确定性的系统。整个控制系统结构如图2-17图所示。图2-17 模糊控制结构原理图2.4.2控制算法的选择 在众多的智能控制策略中，模糊控制策略被认为是开关变换器中最有效最优的。目前，各种应用场合对电源的动态性能提出了越来越高的要求，其中输出电压的超调与恢复时间被认为是最重要的指标。通常，输出电压的改变是由于负载的变化或者输入电压的变化引起的，而输出电压值取决于滤波电感、滤波电容和控制策略。如果滤波电感、滤波电容和开关频率固定不变，那么不同的控制策略将会达到不同的系统动态性能。由于开关变换器为一个

43、时变、非线性系统，无法建立精确的数学模型，传统的控制方法是将其近似为一个线性系统，采用基于精确数学模型的pid控制算法来实现，这就使得系统的动态性能往往只能在特定的条件下才能实现最优。模糊pid控制算法的优点在于不需要建立准确的变换器数学模型，而依赖于设计者的经验，非常适合于dc-dc变换器这样的强非线性系统。模糊控制本质上说是自适应的，可以保证控制系统的大信号稳定性。综合以上分析，同时根据控制算法必须简捷有效的要求，本设计中采用模糊pid控制算法来完成控制回路的设计及输出电压动态性能的改善。2.5 tms320f2812简介 dsp芯片选用德州仪器的信号处理器tms320f2812，现代数字

44、开关电源的发展趋势为高频化、智能化、小型化和绿色化等，如开关频率高达50okhz，甚至1mhz的数字式开关电源，普通的单片机是难以达到控制的需求，一般需要高性能数字信号处理器。 tms320f2812芯片系统组成包括:cpu、片内存储器、中断管理模块、事件管理器模块、片内集成外围设备等。其功能特点如下:(1) 优化的事件管理器模块 tms320f2812包含两个事件管理器(ev)模块eva和evb，每个事件管理器模块包括通用定时器(gp)、全比较pwm单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元。tms32of2812化化的事件管理器包括灵活的脉宽调制生成器、可编程通用定时器、无缝捕获和解码器接口。 f

45、2812的两个事件管理器可产生16路独立的pwm信号。由3个具有可编程死区的全比较单元产生独立的3对pwm信号，由通用定时器比较单元产生独立的两路pwm信号。对于每一个比较单元的输出，死区的产生可单独被使用/禁止。利用双缓冲的actrx寄存器，死区产生器的输出状态可以被高速配置及改变。(2) 高速的模数转换器(adc) f2812包括两个8路12位a/d转换器，a/d转换速度可达200ns，具有自动排序能力。一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序工作方式或一组16个自动转换通道的单排序工作方式，可编程为顺序采样和双路同步采样。丰富的a/d转换启动模式，支持软件启动、事

46、件管理器中断启动和外部信号启动。其中可利用事件管理器的定时中断来定时启动a/d转换，进行实时采样。另外，f2812还提供了和事件管理器eva和evb灵活的接口。内建双采样保持电路和参考电平，可大大简化硬件设计，为模拟控制环路的完成提供了关键支持。(3) 快速灵活的中断管理 f2812包括一个外部中断扩展(pie)模块。该模块用以管理从外设和其他外部引脚来的中断请求，可支持高达96个独立中断。每个中断由储存在其专用ram模块上的矢量(可被用户改写)支持，这些矢量可自动被服务于该中断cpu取用，取用矢量表和保存寄存器内容只需8个cpu时钟周期。初始化时中断矢量表可以被移植并在操作过程中允许用户更新

47、。中断请求的优先级可由硬件和软件来控制，每个中断可在pie模块内被独立的使用/禁止。f2812还支持3个可屏蔽的外部中断(xinti、xintz、xint13)，其中引脚xint13和不可屏蔽外部中断xnmi引脚复用。(4) 多标准的通信接口 f2812有5种不同的片上标准通信接口可为主机、测试设备、显示器和其它部件提供了简便的通信接口。 两个异步串行外设通信口(sci):sci即通用异步收发器(uart)支持rs232和rs485的工业标准全双工通信模式，用来与上位机的通信。 同步串行外设接口(spi):spi是高速同步串行i/o。它允许可编程长度(1至16位)的串行位流 (bit stre

48、am)以可编程的传输速率移入移出器件。spi还有延时传送功能和一个16级传送/接口fifo。可用于同步数据通信。典型应用包括tms320f2812之间构成多机系统和外部i/0扩展，如显示驱动。增强型控制器区域网 (ecan)模块:该模块完全兼容can2.ob协议，可以在有干扰的环境里使用上述协议，串行与其他控制器通信，传输速度高达1mb/s。ecan模块具有32个可以完全控制的邮箱和时间标识特性，提供了一个可靠的串行通信接口。2.6 本章小结 本章对开关电源的设计技术基础进行了简单的介绍，首先介绍了开关电源的基本组成。其次对开关电源的控制方式进行了详细的分析研究。从开关电源的模拟控制方法和数字

49、控制方法两种不同的角度对开关电源的控制方法进行分类研究，对pwm控制、pfm控制、pwm一pfm混合控制、基于单片机控制、基于dsp控制和基于fpga控制等方法的工作原理、优缺点以及应用进行了详细的说明。进而对开关电源的控制算法进行了详细的阐述，将数字pid控制算法与模糊控制算法结合起来，设计了一种应用于本反激式数字开关电源设计的模糊pid控制算法。最后简单的对dsp芯片tms320f2812进行了简单的介绍。3基于dsp的反激式数字开关电源的总体设计 本章介绍了基于tms320f2812的反激式数字开关电源的总体设计方案，具体阐述了系统性能指标、硬件方案设计、输出电压电流采样检测电路设计、驱

50、动电路、人机接口部分、emi滤波器设计、抗干扰措施以及软件设计等内容。3.1系统性能指标 本系统的设计目标是把开关电源的优良特性与dsp系统自动检测和控制技术相结合，力求达到功率转换效率高(80%以上)、发热(损耗)小、体积小、重量轻、电压、负载稳定度高、保护电路完善、对电网电压及频率大范围变化的适应性强、数字显示方式等。概括起来，该反激式数字开关电源的性能指标如下:(l)输入电压:u=220(l士15%)v;(2)输入电压频率:f=50(1士5%)hz;(3)输出电压uo=12v、额定输出电流lo=3a;(4)额定输出功率p。=36w;(5)电压纹波士 60mv;(6)开关频率100khz。

51、3.2系统的硬件设计3.2.1系统硬件方案设计 系统分为电源主电路和控制电路两部分，通过tms320f2812实现励磁电流，输出电压采样以及闭环控制。系统整体结构如图3-1所示，包括emi滤波电路、二极管整流、直流平波电路、反激式变换器主电路、控制器、信号采集、pwm驱动、键盘和lcd人机接口。图3-1 系统整体结构图3.2.2输出电压检测电路设计 在隔离开关电源的闭环控制系统中，为实现控制电路的安全工作和隔离，避免将输出电路的噪声引入控制回路，对输出采样电路与控制电路进行隔离是必须的。线性光电祸合器和霍尔传感器为常用的隔离器件。输出信号和输入信号成线性关系的光电祸合器为线性光电祸合器。线性光

52、电祸合器由于具有良好的性能和抗干扰能力而被广泛应用于输入和输出信号需要电气隔离的场合。对于需要较高的线性度及较高频带宽度的开关电源闭环控制系统而言，线性光祸实现电气隔离是一种较佳的选择。目前常用的高线性度光祸主要有loc110以及nr200/201等。本文采用hcnr200型高线性度光耦对采样电压进行隔离的反馈控制电路。hcnr200型线性光耦的原理如图3-3所示。它由发光二极管led、反馈光电二极管pdi、输出光电二极管pdz组成。当led通过驱动电流寿时，发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在pdi和pdz上，反馈光电二极管吸收led光通量的一部分，从而产生控制电流: (3-1)该电流用

53、来调节寿以补偿dl的非线性。输出光电二极管pdz产生的输出电流: (3-2) (3-3) 式中:k1和k2为输入输出光电二极管的电流传输比，其典型值为0.5%，范围为0.25%0.75%;k3为传输增益，其典型值为1.0，范围为0.851.15。 对于一只制造好的hcnr200线性光耦而言，其电流传输比和传输增益都是固定的。if的峰值可达40ma，一般在1-20ma之间，因此根据输入输出电流传输比典型值0.5%可得ipd1和ipd2的值一般为5- 100ua。在图3-2中，光电二极管pd1起反馈稳定作用，测量端电压上升，则输入方运放输入负端电压上升，结果led电流if增大，那么电流ipd1也跟

54、随增大，导致输入方运放输入负端电压下降，因为负反馈的作用，使系统稳定在线性区。图3-2 高线性度采样电压隔离反馈电路框图推导输出电压与测量电压的关系，容易求得 （3-4） （3-5）故 （3-6）ipd1,ipd2取值范围为5100ua,考虑到tm320f2812内置模数转换电压允许范围，u0的取值应该小于3伏，rf=r3=30000，r1=r2=50003.2.3电流检测电路 开关电源的电感电流检测方法有很多，有效且经济的方法是电阻检测、电流互感器检测，因电流互感器检测方法较复杂，故本文采用电阻检测法，直接用电阻检测原边电感电流，如图3-3所示。其信号调理电路由差分放大电路和跟随电路组成，根

55、据额定电流等级，选用合适的采样电阻和放大增益，以达到设计的要求。图3-3电流采样电路3.2.4驱动电路设计 开关电源的开关频率较高，通常选用mosfet功率开关，mosfet属于电压型器件，驱动电路相对简单，常用的有专门驱动芯片和简易分立驱动，专门驱动芯片如 ir2110，ir211等驱动，采用了自举技术，简单可靠，且具备完善的保护功能。主要应用在逆变场合，出于成本的考虑，本设计选用了一种简单隔离的mosfet驱动，采用了光耦tlp250实现隔离和功率放大功能，其电源电压输入范围1035v，输出电流士 1.5a，开通时间0.5微妙，隔离电压大于2500v，完全适合该应用场合。考虑到发光二级管的

56、额定电流为20毫安，下拉电阻选择r=15o欧姆。其电路如图3-4所示。图3-4 驱动电路3.2.5温度检测电路 为了保证系统安全，系统温度需要实时监控，本设计采用温度传感器ad59o，检测温度信息，由于需要精确的参考电源，选用ad581作为参考源，温度传感器ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，温度和流过两端的电流成正比，测量范围为一55oc1500c，适合本设计的需求。测量电路图如图3-5所示。图3-5温度检测电路输出电压表达式 (3-7)其中，vo为ad输入电压，vref为参考源输出，t为温度(ad590通过的电流）。3.2.6液晶显示模块接口 本设计选择lm19264a汉字图形液晶显示模块作为显示部分。其读/写时序图分