基于DSP的大功率開關(guān)電源設(shè)計

控制電路主要包括DSP控制器最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、輔助電源電路、采樣電路和保護電路。

(1)DSP控制器最小系統(tǒng)

DSP控制器是其中控制電路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片，它是美國TEXAS INSTU—MENTS(TI)公司的最新成員。TMS30LF2407A基于C2xLP內(nèi)核，和以前C2xx系列成員相比，該芯片具有處理性能更好(30MIPS)、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點，是電機數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品，特別適用于電機以及逆變器的控制。DSP控制器最小系統(tǒng)包括時鐘電路、復(fù)位電路以及鍵盤顯示電路。時鐘電路通過15 MHz的外接晶振提供;復(fù)位電路直接通過開關(guān)按鍵復(fù)位;由4×4的矩陣式鍵盤和SPRT12864M LCD構(gòu)成了電源系統(tǒng)的人機交換界面。

(2)驅(qū)動放大電路

IGBT的驅(qū)動電路采用脈沖變壓器和TC4422組成，其電路原理圖如圖4所示：

圖4 IGBT驅(qū)動電路原理圖

由于TMS320LF2407A的驅(qū)動功率較小，不能勝任驅(qū)動開關(guān)管穩(wěn)定工作的要求，因此需要加上驅(qū)動放大電路，以增大驅(qū)動電流功率，提高電源系統(tǒng)的可靠性。如圖4所示，采用兩片TCA422組成驅(qū)動放大電路。

TC4421/4422是Microchip公司生產(chǎn)的9A高速MOsFET/IGBT驅(qū)動器，其中TC4421是反向輸出，TC4422是同向輸出，輸出級均為圖騰柱結(jié)構(gòu)。

TC4421/4422具有以下特點：

①輸出峰值電流大：9 A;

② 電源范圍寬：4.5 V～18 V;

③連續(xù)輸出電流大：最大2 A;

④快速的上升時間和下降時間：30 ns(負載4700pF)，180 ns(負載47000 pF);

⑤傳輸延遲時間短：30 ns(典型);

⑥供電電流?。哼壿?ldquo;1”輸入～200μA(典型)，邏輯“0”輸入～55 μA(典型);

⑦輸出阻抗低：1.4 Ω(典型);

⑧閉鎖保護：可承受1.5 A的輸出反向電流;

⑨輸入端可承受高達5 V的反向電壓;

⑩能夠由TTL或CMOS電平(3 V～18 V)直接驅(qū)動，并且輸人端采用有300 mV滯回的施密特觸發(fā)電路。

當TMS320LF2407A輸出的PWM1為高電平，PWM2為低電平時，經(jīng)過TCA422驅(qū)動放大后輸出，在脈沖變壓器一次側(cè)所流過的電流從PWMA流向PWMB，如圖4中箭頭所示，電壓方向為上正下負。

根據(jù)變壓器的同名端和接線方式，則開關(guān)管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負。因此，此時是驅(qū)動QM1導通。反之若是PWM1為高電平，PWM2為低電平時，則是驅(qū)動Q2導通。四只二極管DQ1 ～DQ2的作用是消除反電動勢對TCA422的影響。

(3)輔助電源電路

本開關(guān)電源電路設(shè)計過程中所需要的幾路工作電源如下：

① TMS320LF2407 DSP所需電源：I/O 電源(3.3 V)，PLL(PHSAELOCKED LOOP)電源(3.3 V)，F(xiàn)IASH編程電壓(5 V)，模擬電路電源電壓(3.3 V);②TCA422芯片所需電源：電源端電壓范圍4.5～18 V(選擇15 V);③采樣電路中所用運算放大器的工作電源為15 V。

因此，整個控制電路需要提供15 V、5 V和3.3 V三種制式的電壓。設(shè)計中選用深圳安時捷公司的HAw 5-220524 AC/DC模塊將220 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電，然后采用三端穩(wěn)壓器7815和7805獲得15 V和5 V的電壓。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通過TPS7333QD電壓芯片得到。

(4)采樣電路

電壓采樣電路由三端穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817之問的配合來構(gòu)成。電路設(shè)計如圖5所示，TL431與PC817一次側(cè)的LED串聯(lián)，TL431陰極流過的電流就是LED的電流。輸出電壓Ud經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后到參考電壓UR與 TL431中的2.5 V基準電壓Uref進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流 If發(fā)生變化，再通過光耦將變化的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送人LF2407A的ADCIN00引腳。

圖5 電壓采樣電路原理圖

由于TMS320LF2407A的工作電壓為3.3 V，因此輸入DSP的模擬信號也不能超過3.3 V。為防止輸入信號電壓過高造成A/D輸入通道的硬件損壞，我們對每一路A/D通道設(shè)計了保護電路，如圖5所示，Cu2，CU3 起濾波作用，可以將系統(tǒng)不需要的高頻和低頻噪聲濾除掉，提高系統(tǒng)信號處理的精度和穩(wěn)定性。

另外，采用穩(wěn)壓管限制輸入電壓幅值，同時輸入電壓通過二極管與3.3 V電源相連，以吸收瞬間的電壓尖峰。

當電壓超過3.3 V時，二極管導通，電壓尖峰的能量被與電源并聯(lián)的眾多濾波電容和去耦電容吸收。并聯(lián)電阻Ru4的目的是給TL431提供偏置電流，保證TL431至少有1 mA的電流流過。Cu1 和RU3作為反饋網(wǎng)絡(luò)的補償元件，用以優(yōu)化系統(tǒng)的頻率特性。

電流采樣的原理與電壓采樣類似，只是在電路中要通過電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后再進行采集。