|
1 引言 開(kāi)關(guān)電源以體積小，重量輕，功耗低，效率高，紋波小，噪聲低，智能化程度高，易擴容等，逐漸替代工頻電源，廣泛應用于各種電子設備。高可靠性、智能化及數字化是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。音響功放要求電源隨著(zhù)負載變化自動(dòng)調整輸出電壓，進(jìn)而調節功率，以提高電源動(dòng)態(tài)性能，降低音響功放內部損耗，但目前的開(kāi)關(guān)電源無(wú)法實(shí)現。選用TMS320F2812型DSP作為功放開(kāi)關(guān)電源的主控制器，設計一種低功耗。適用于大型功放系統的新型的智能功放開(kāi)關(guān)電源。 2 智能功放開(kāi)關(guān)電源設計 圖1為智能音響功放開(kāi)關(guān)電源的總體原理框圖，主電路采用交一直一交一直的結構。輸入工頻220 V交流電路經(jīng)濾波電路后，再經(jīng)單相橋式整流電路輸出直流電壓；變換電路采用全橋移相逆變電路將前端直流電變換為高頻的交流電．然后經(jīng)二次整流濾波輸出穩定的直流電壓；檢測電路對輸出電壓信號采樣后，送入控制電路，通過(guò)改變控制電路輸出脈寬占空比來(lái)調節輸出電壓；保護電路實(shí)現過(guò)壓和過(guò)流保護；功率檢測電路對變換電路電流采樣，當輸出功率超過(guò)500 W時(shí)，產(chǎn)生過(guò)功率檢測信號，驅動(dòng)控制電路，降低輸出電壓：輔助電源電路為控制電路和各種運放供電。 
2．1 功放開(kāi)關(guān)電源模塊 圖2是功放開(kāi)關(guān)電源的主電路，其中Vin是220 V交流輸入經(jīng)前端濾波和全波整流得到，電壓為300 V。為全橋逆變電路的輸入電壓。VQ1、VQ2、VQ3、VQ4為IRFP460型大功率MOSFET，用作變換器開(kāi)關(guān)管。由于IRFP460型 MOSFET是多數載流子器件，開(kāi)關(guān)速度極快，開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的典型值一般20 ns，具有較高的擊穿電壓和較大的工作電流。此外，MOSFET的輸入阻抗高，驅動(dòng)電路較簡(jiǎn)單，只要在柵源之間加10 V左右的電壓，就可使其飽和導通。L4、C5、C6構成輔助諧振網(wǎng)絡(luò )，考慮到變壓器原邊漏感，諧振電感LT的取值一般比實(shí)際值小，這里選用電感值為34 μH的非線(xiàn)性飽和電感1μF的，考慮到高頻脈沖變壓器T1磁飽和問(wèn)題，原邊繞組串接防偏磁電容，VD15和VD16，VD17和VD18分別為全波整流二極管，L1、C13、EC1、EC2和L2、C14、EC3、EC4分別為+35 V和-35 V輸出回路的濾波電路。
2．2 功放開(kāi)關(guān)電源模塊控制電路 該控制電路以DSPTFMS320F2812為核心，主要包括產(chǎn)生移相脈沖波形、實(shí)時(shí)采樣、功率調節、過(guò)壓保護、過(guò)流保護、過(guò)功率保護、濾波算法和全橋移相算法等功能。采用TMS320F2812內置的16路12位高分辨率A／D轉換電路實(shí)現電壓、電流實(shí)時(shí)采樣．每通道的最小轉換時(shí)間為80 ns，A／D轉換電路的輸入信號電平范圍為0～3 V。采樣后，通過(guò)軟件編程調整驅動(dòng)全橋逆變器開(kāi)關(guān)管的PWM波形移相角，實(shí)現穩壓，同時(shí)當輸出電壓、電流過(guò)高或欠壓時(shí)，DSP調用相應的子程序處理突發(fā)異常事件，起到保護作用。同時(shí)通過(guò)A／D采樣輸出電壓電流信號進(jìn)行運算，可精確測量輸出功率，并調整事件管理器相關(guān)寄存器的值來(lái)調節輸出電壓。 控制器的動(dòng)態(tài)特性和穩壓精度等性能與調節器設計密切相關(guān)。在功放開(kāi)關(guān)電源的設計中，采用增量式PID控制算法。 電源設計中的數字控制均采用數字采樣控制，即根據采樣時(shí)刻的偏差值計算控制量。PID控制的離散形式為：
式中，Ts為采樣周期。 式(1)為是位置式PID控制算式。為增加控制系統的可靠性，采用增量式PID控制算式，即DSP只輸出控制量u(k)的增量，式(1)是第K次PID控制器的輸出量，那么(K-1)次PID控制器的輸出量為：
因此，增量式PID控制算法為：
式(3)和式(4)就是該控制程序的增量式PID控制算式。增量式PID控制與位置式PID控制相比僅算法不同，但它只輸出增量，減少了DSP誤操作時(shí)對控制系統的影響，而且不會(huì )產(chǎn)生積分失控。圖3為基于TMS320F2812的PID控制器的實(shí)現框圖。
2．3 功放開(kāi)關(guān)電源的軟件設計 基于DSP的功放開(kāi)關(guān)電源的軟件設計主要實(shí)現以下功能： (1)全橋移相脈沖的產(chǎn)生 利用TMS320F2812事件管理器中兩個(gè)比較單元直接輸出電路脈沖。從移相基本原理來(lái)看，滯后橋臂相對于超前臂之間的驅動(dòng)有一個(gè)周期性延時(shí)，其延時(shí)角即為移相角。設定由比較單元1輸出的PWM1／PWM2分別驅動(dòng)超前臂開(kāi)關(guān)管VQ1、VQ3，由比較單元2輸出的PWM3／PWM4驅動(dòng)滯后臂開(kāi)關(guān)管 VQ4、VQ2。每個(gè)橋臂上下兩管之間的驅動(dòng)脈沖互補且帶死區，固定超前橋臂的驅動(dòng)在每周期的0時(shí)刻發(fā)出，則只要延遲移相角φ對應的時(shí)間，再發(fā)生比較事件則可得到滯后橋臂的驅動(dòng)脈沖，從而實(shí)現0°～180°范圍內的自由移相。 (2)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)功率的檢測和保護 基于DSP的功放開(kāi)關(guān)電源具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)功率、過(guò)熱等保護功能。發(fā)生異常時(shí)．系統進(jìn)入異常中斷服務(wù)子程序進(jìn)行處理，并及時(shí)閉鎖PWM輸出。為防止誤動(dòng)作，設定連續讀取20個(gè)異常信號才認定為電路異常，否則不處理。各模塊程序流程如圖4～圖6所示。
3 實(shí)驗結果 依據前面的分析設計一臺樣機，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz，輸出電壓為±35 V和±42 V。對基于DSP控制音響功放開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行帶載實(shí)驗，在輕載和重載條件下，輸出電壓紋波系數小于0．5％，輸出電壓精度小于O．5％。 圖7為DSP的移相波形。其中，通道1為比較單元1的PWM1輸出，為超前橋臂；通道2為比較單元2的PWM3輸出。從圖7可清楚看到通道2滯后通道1約 135°。圖8為滯后橋臂零電壓開(kāi)通臨界波形，輸入電壓約為175 V，輸出功率為100W。圖8中通道1為功率MOS管柵源電壓Vcs波形，通道2為功率MOS管漏源電壓VDS波形。關(guān)斷VDS時(shí)為175 V，由圖8可看到VDS先降到0，然后Vcs上升。此時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管為零電壓開(kāi)通。負載越重，零電壓開(kāi)通現象越明顯。在輸出功率400 W時(shí)，輸入功率為440 W，全橋移相變換器的轉換效率為90．9％。 實(shí)驗結果表明：基于DSPTMS320F2812的功放開(kāi)關(guān)電源輸出波形良好，諧波含量少，可調節性?xún)?yōu)良，負載在全范圍變化時(shí)，開(kāi)關(guān)電源能夠保持良好的輸出性能，而且由于采用全橋移相軟開(kāi)關(guān)變換器，開(kāi)關(guān)管工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此整個(gè)電源系統的功耗小，在高端大功率功放音響中具有較好的應用前景。
4 結論 將DSP作為音響功放開(kāi)關(guān)電源的控制核心，實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源的數字控制，克服模擬控制系統中元件老化、熱漂移等問(wèn)題，并解決單片機控制電路負載、運算精度不高的問(wèn)題。把全橋移相電路運用在音響功放開(kāi)關(guān)電源中，有效地降低功放開(kāi)關(guān)電源的內部損耗，使其應用于大功率音響功放系統。 利用TMS320F2812的軟件硬件資源，實(shí)現PWM控制、濾波、采樣及各種系統保護功能，簡(jiǎn)化控制電路，提高電源設計和制造的靈活性；另外該控制器可控性好，易擴展，容易升級維護。 參考文獻 1. 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004. 2. 胡紅林,李春華,邵波.移相全橋零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)電路的研究[J].電力電子技術(shù),2009(1):11-12. 3. 楊旭,趙志偉,王兆安.移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)電路諧振過(guò)程的研究[J].電力電子技術(shù),1998(8):36-37. 4. 王鳳巖,許俊峰,許建平.開(kāi)關(guān)電源控制方法綜述[J].機車(chē)電傳動(dòng),2006(1):6-10. 5. 陶永華,尹怡欣,葛蘆生.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998. 6. 萬(wàn)山明.TMS320F281x DSP原理及應用實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007. 作者：周金博，章國寶 (東南大學(xué)) 來(lái)源： 電子設計工程 2009（12） |
