基于DSP的智能功放开关电源设计

1、基于DSP的智能功放开关电源设计    摘要：针对音响功放环保节能的需要，设计一款新型功放开关电源的控制系统该系统可应用于大型功放系统的DSP控制。详细描述系统的组成结构和软硬件设计。该系统采用TMS320F2812为主控制器，电路结构简化，数字控制功放电源。实验结果表明，该系统具有良好的调节功能，既满足一定控制精度要求，又满足实时性要求，在高端大功率音响功放中具有较大的应用前景。关键词：DS；音响功放；开关电源；全桥移相1引言开关电源以体积小，重量摘要：针对音响功放环保节能的需要，设计一款新型功放开关电源的控制系统该系统可应用于大型功放系统的DSP控制

2、。详细描述系统的组成结构和软硬件设计。该系统采用TMS320F2812为主控制器，电路结构简化，数字控制功放电源。实验结果表明，该系统具有良好的调节功能，既满足一定控制精度要求，又满足实时性要求，在高端大功率音响功放中具有较大的应用前景。关键词：DS；音响功放；开关电源；全桥移相1 引言开关电源以体积小，重量轻，功耗低，效率高，纹波小，噪声低，智能化程度高，易扩容等，逐渐替代工频电源，广泛应用于各种电子设备。高可靠性、智能化及数字化是开关电源的发展方向。音响功放要求电源随着负载变化自动调整输出电压，进而调节功率，以提高电源动态性能，降低音响功放内部损耗，但目前的开关电源无法实现。选用TMS32

3、0F2812型DSP作为功放开关电源的主控制器，设计一种低功耗。适用于大型功放系统的新型的智能功放开关电源。2 智能功放开关电源设计图1为智能音响功放开关电源的总体原理框图，主电路采用交一直一交一直的结构。输入工频220V交流电路经滤波电路后，再经单相桥式整流电路输出直流电压；变换电路采用全桥移相逆变电路将前端直流电变换为高频的交流电然后经二次整流滤波输出稳定的直流电压；检测电路对输出电压信号采样后，送入控制电路，通过改变控制电路输出脉宽占空比来调节输出电压；保护电路实现过压和过流保护；功率检测电路对变换电路电流采样，当输出功率超过500 W时，产生过功率检测信号，驱动控制电路，降低输出电压：

4、辅助电源电路为控制电路和各种运放供电。21 功放开关电源模块图2是功放开关电源的主电路，其中Vin是220 V交流输入经前端滤波和全波整流得到，电压为300V。为全桥逆变电路的输入电压。VQ1、VQ2、VQ3、VQ4为IRFP460型大功率MOSFET，用作变换器开关管。由于IRFP460型MOSFET是多数载流子器件，开关速度极快，开通和关断时间的典型值一般20 ns，具有较高的击穿电压和较大的工作电流。此外，MOSFET的输入阻抗高，驱动电路较简单，只要在栅源之间加10 V左右的电压，就可使其饱和导通。L4、C5、C6构成辅助谐振网络，考虑到变压器原边漏感，谐振电感LT的取值一般比实际值小

5、，这里选用电感值为34 H的非线性饱和电感1F的，考虑到高频脉冲变压器T1磁饱和问题，原边绕组串接防偏磁电容，VD15和VD16，VD17和VD18分别为全波整流二极管，L1、C13、EC1、EC2和L2、C14、EC3、EC4分别为+35 V和-35 V输出回路的滤波电路。22 功放开关电源模块控制电路该控制电路以DSPTFMS320F2812为核心，主要包括产生移相脉冲波形、实时采样、功率调节、过压保护、过流保护、过功率保护、滤波算法和全桥移相算法等功能。采用TMS320F2812内置的16路12位高分辨率AD转换电路实现电压、电流实时采样每通道的最小转换时间为80 ns，AD转换电路的输

6、入信号电平范围为03 V。采样后，通过软件编程调整驱动全桥逆变器开关管的PWM波形移相角，实现稳压，同时当输出电压、电流过高或欠压时，DSP调用相应的子程序处理突发异常事件，起到保护作用。同时通过AD采样输出电压电流信号进行运算，可精确测量输出功率，并调整事件管理器相关寄存器的值来调节输出电压。控制器的动态特性和稳压精度等性能与调节器设计密切相关。在功放开关电源的设计中，采用增量式PID控制算法。电源设计中的数字控制均采用数字采样控制，即根据采样时刻的偏差值计算控制量。PID控制的离散形式为：式中，Ts为采样周期。式(1)为是位置式PID控制算式。为增加控制系统的可靠性，采用增量式PID控制算

7、式，即DSP只输出控制量u(k)的增量，式(1)是第K次PID控制器的输出量，那么(K-1)次PID控制器的输出量为：因此，增量式PID控制算法为：式(3)和式(4)就是该控制程序的增量式PID控制算式。增量式PID控制与位置式PID控制相比仅算法不同，但它只输出增量，减少了DSP误操作时对控制系统的影响，而且不会产生积分失控。图3为基于TMS320F2812的PID控制器的实现框图。23 功放开关电源的软件设计基于DSP的功放开关电源的软件设计主要实现以下功能：(1)全桥移相脉冲的产生 利用TMS320F2812事件管理器中两个比较单元直接输出电路脉冲。从移相基本原理来看，滞后桥臂相对于超前

8、臂之间的驱动有一个周期性延时，其延时角即为移相角。设定由比较单元1输出的PWM1PWM2分别驱动超前臂开关管VQ1、VQ3，由比较单元2输出的PWM3PWM4驱动滞后臂开关管VQ4、VQ2。每个桥臂上下两管之间的驱动脉冲互补且带死区，固定超前桥臂的驱动在每周期的0时刻发出，则只要延迟移相角对应的时间，再发生比较事件则可得到滞后桥臂的驱动脉冲，从而实现0°180°范围内的自由移相。(2)过压、过流、过功率的检测和保护 基于DSP的功放开关电源具有过压、过流、过功率、过热等保护功能。发生异常时系统进入异常中断服务子程序进行处理，并及时闭锁PWM输出。为防止误动作，设定连续读取2

9、0个异常信号才认定为电路异常，否则不处理。各模块程序流程如图4图6所示。3 实验结果依据前面的分析设计一台样机，开关频率为100kHz，输出电压为±35 V和±42 V。对基于DSP控制音响功放开关电源进行带载实验，在轻载和重载条件下，输出电压纹波系数小于05，输出电压精度小于O5。图7为DSP的移相波形。其中，通道1为比较单元1的PWM1输出，为超前桥臂；通道2为比较单元2的PWM3输出。从图7可清楚看到通道2滞后通道1约135°。图8为滞后桥臂零电压开通临界波形，输入电压约为175V，输出功率为100W。图8中通道1为功率MOS管栅源电压Vcs波形，通道2为功

10、率MOS管漏源电压VDS波形。关断VDS时为175 V，由图8可看到VDS先降到0，然后Vcs上升。此时开通开关管为零电压开通。负载越重，零电压开通现象越明显。在输出功率400W时，输入功率为440 W，全桥移相变换器的转换效率为909。实验结果表明：基于DSPTMS320F2812的功放开关电源输出波形良好，谐波含量少，可调节性优良，负载在全范围变化时，开关电源能够保持良好的输出性能，而且由于采用全桥移相软开关变换器，开关管工作在零电压开关状态，因此整个电源系统的功耗小，在高端大功率功放音响中具有较好的应用前景。4 结论将DSP作为音响功放开关电源的控制核心，实现了开关电源的数字控制，克服模拟控制系统中元件老化、热漂移等问题，并解决