数字信号处理器（DSP）在电源产品设计上的应用

1  前言

    利用高性能的数字信号处理器（DSP）设计电源，不但能够减少电路的元器件，而且可以大大增加系统的可靠性和稳定性，克服电子设备长期受到供电不稳和大噪音的困扰，较传统的电源设计方式有着明显的优势。其主要优点如下：

    ⑴更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真、减少杂散信号的干扰；
    ⑵便于系统调试；
    ⑶方便实现远程遥感、遥测、遥调。

    本文以利用芯片ADMC331设计DC-DC直流驱动电源为例介绍数字信号处理器（DSP）在电源产品设计上的应用。

2  芯片ADMC331的结构特点

    ADMC331是美国模拟器件公司（ADI）推出的基于DSP技术的电机控制器，它将高性能DSP内核ADSP2171与丰富的外围控制线路集成于单片芯片中,大大简化了硬件设计,为用户快速、高效地开发控制器创造十分有利的条件。其主要特性如下：

    ⑴集成了一个26M IPS（每秒百万条指令）定点数字信号处理器内核，它与ADSP-2100数字信号处理器系列的代码完全兼容；
    ⑵单周期指令执行时间为38.5ns（外接13MHz晶振）；
    ⑶内置2K×24位程序存储器ROM，2K×24位程序存储器RAM和1K×16位数据存储器RAM；
    ⑷具有一个三相16位基于中点的脉宽调制（PWM）发生器，能够灵活编程产生具有处理器开锁最小的高精度PWM信号；
    ⑸有2路8位辅助脉宽调制（AUXPWM）通道，频率可编程；⑹有七路Σ-▽型A／D变换通道，最高分辨率为12位，最大采样频率可达32.5KHz；
    ⑺具有24个可编程数字输入输出（PIO）口，可单独设置成输入或输出，支持状态变化中断；
    ⑻提供了2个双缓冲同步串行口（SPORT0，SPORT1），用以完成串行通讯和多处理器间的通信；
    ⑼带有实时中断的16位看门狗定时器；
    ⑽内部程序存储器ROM固化了一些实用程序，方便系统的程序设计，减少了数字控制系统的程序计算时间。

[page]3  利用ADMC331设计DC-DC直流驱动电源

    DC-DC直流驱动电源系统由主电路和控制电路等部分组成，其框图如图1所示。

 
图1  DC-DC直流驱动电源系统结构框图

    (1)主电路

    DC-DC直流驱动电源系统的主电路如图2 所示。主电路采用功率MOSFET管构成的交错并联双管正激拓扑结构，M1，M2，D1，D2与副边拓扑构成1＃双管正激变换器，M3，M4，D3，D4与副边拓扑构成2＃双管正激变换器。工作时，2＃变换器的控制脉冲相对于1＃变换器移相了180°，双路变换器交替工作，向副边传输能量。通过二极管D1，D2或D3，D4向原边输入电源回馈能量，实现铁芯磁复位。交错并联双管正激变换器与单管正激变换器相比，电压应力小，功率管只承受电源电压，不需要另加磁复位电路；与全桥或半桥变换器相比，它不存在桥臂直通的危险；此外，交错并联结构使变换器热分布均匀，提高了可靠性。

 
图2  DC-DC直流驱动电源系统的主电路图

[page]    （2）DSP控制系统
 
    DSP是控制电路的核心。控制系统由ADMC331、E2PROM及外围电路等构成最小DSP系统，完成控制、计算、保护等功能，可实现驱动直流电源真正意义上的全数字化控制。ADMC331提供PWM控制信号，经隔离后驱动功率MOSFET管工作。为了保证功率模块正常安全运行,采用一片GAL芯片对运行中系统电流、电压、异常故障等进行检测并作出反应，通过硬件方式直接封锁驱动信号的输出，提高了系统对故障响应的快速性和可靠性，同时保护信号也通过数字PIO口送入ADMC331，进行软件查询、处理和报警显示。另外，ADMC331外接一个存有程序执行指令的机器码的E2PROM，上电后通过串行口程序自行导入，并且采用MAX232芯片作为TTL与RS232的电平转换，以实现ADMC331与外界的通讯。

    （3）驱动电路

    驱动电路的好坏直接影响系统工作的可靠性和电气性能，对于功率MOSFET管采用如图3所示的驱动电路。变压器隔离，电路设计大为简化，抗干扰能力强，具有快速、高性能的特点。

 
图3  功率MOSFET驱动电路

4  仿真与试验

    采用PSPICE软件对主电路进行仿真。电路仿真和实验参数为：输入电压Ｖin = 12Ｖ ，输出电压Vo = 100V，功率MOSFET管为IRFP064N (源、漏间导通电阻仅为0.008Ω) ,输出电感Ｌ=50μＨ ,输出电容Ｃ =4.7μＦ ,开关频率 ｆ=50ｋＨｚ,工作占空比d=0 .4,高频变压器初、次级匝比ｎ =1∶10,输出电流Ｉｏ=2Ａ。

    DC-DC直流驱动电源系统输出电压和输出电流的仿真波形示于图4。

 
   图4 （a）DC-DC直流驱动电源系统输出电压的仿真波形

   图4 （b）DC-DC直流驱动电源系统输出电流的仿真波形

     通过对设计的样机进行严格测试，DC-DC直流驱动电源系统运行良好。

[page]5 结语

    数字信号处理器（DSP）在电源产品设计上的广泛应用，可以实现电源产品的高效、可靠及真正意义上的全数字化控制，提高控制电路的集成度和控制电路乃至整个系统的可靠性和可塑性。■