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開關(guān)電源控制及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)(一)
控制及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)
電壓電流檢測(cè)
如圖3-7所示，電路的控制及觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生均由DSP芯片產(chǎn)生。電路的控制很簡(jiǎn)單，在DSP檢測(cè)到充電電容的電壓達(dá)到要求值后，關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可。其檢測(cè)信號(hào)由霍爾電壓傳感器來完成�；魻栯妷簜鞲衅靼褭z測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸入到DSP內(nèi)，DSP把進(jìn)來的電壓信號(hào)與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電壓信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)斷PWM波輸出。
圖3-11 霍爾傳感器
端子說明：
IN+：輸入電壓正；
IN–： 輸入電壓負(fù)；
+：正電源；
-：負(fù)電源；
M：輸出端；
⊥：公共地。
霍爾傳感器的輸出端M接A/D轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入給DSP[10]。
輸出電流也采用霍爾電流傳感器采集信號(hào)，為DSP提供控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào).
IGBT的驅(qū)動(dòng)
IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)充分利用了DSP的功能，DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但此PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力較差，不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT。DSP的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需經(jīng)放大信號(hào)放大在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在此選富士電機(jī)公司的EXB841做為IGBT的驅(qū)動(dòng)器。
EXB840（841）是高速型（最大40kHz 運(yùn)行），其內(nèi)部電路框圖如圖3-12所示。它為直插式結(jié)構(gòu)，額定參數(shù)和運(yùn)行條件可參考其使用手冊(cè)。
圖3-12 EXB系列集成驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
EXB系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：
腳1：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；
腳2：電源（ ＋20V ）；
腳3：驅(qū)動(dòng)輸出；
腳４：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器）；
腳5：過流保護(hù)輸出；
腳6：集電極電壓監(jiān)視；
腳7、8 ：不接；
腳9：電源；
腳10、11：不接；
腳14、15：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（—，＋）[11]。
由于本系列驅(qū)動(dòng)器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離，因此能用于交流380V的動(dòng)力設(shè)備上。
IGBT 通常只能承受10s的短路電流，所以必須有快速保護(hù)電路。EXB系列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極之間的關(guān)系檢測(cè)過電流，其檢測(cè)電路如圖3-13（a）。所示。當(dāng)集電極電壓 高時(shí)，雖然加入信號(hào)也認(rèn)為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅(qū)動(dòng)器的低速切斷電路就慢速關(guān)斷IGBT，從而保證1GBT不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以破壞IGBT，關(guān)斷時(shí)的集電極波形如圖 3-13(b)所示。IGBT在開關(guān)過程中需要一個(gè)+15V電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個(gè)-5V關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作。這兩種電壓（＋15V和-5V）均可由20V供電的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生，如圖3-13(C)所示。
a)過電流檢測(cè)器 b）關(guān)斷時(shí)集電極電流波形 c）柵極電壓產(chǎn)生
圖3-13 過電流檢測(cè)及相關(guān)電流波形
DSP的選擇
目前市場(chǎng)上DSP品種繁多，數(shù)不勝數(shù)，僅是大的DSP生產(chǎn)廠家就有TI公司、Lucent.、T&T、AD、Motorola等公司，其中TI公司被公認(rèn)為DSP領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者和開拓者。本課題決定采用TI公司專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的TMS320F240芯片。它采用CMOS集成電路技術(shù)。與所有的TMS320F2xx系列一樣，F(xiàn)240芯片具有高性能運(yùn)算能力的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核和高效的指令集。通過把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方案，F(xiàn)240成為傳統(tǒng)的徽處理器和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代品。每秒2k萬條指令的處理速度，使F240 DSP控制器可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。F240器件的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字解決方案。TMS320F240外型見圖3-14。
TMS320F24具有一個(gè)32位的中央算術(shù)邏輯單元和累加器。CALU具有獨(dú)立的算術(shù)單元和輔助寄存器算術(shù)單元，執(zhí)行一系列的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。乘法部分由乘法器、乘積寄存器(PREG)。暫存寄存器(TREG)和乘積移位器四部分組成。高速乘法器使F240可以高效地完成卷積、相關(guān)和濾波等數(shù)字信號(hào)處理中的基本運(yùn)算。在將乘積寄存器的值送入CALU之前，乘積移位器將對(duì)乘積寄存器值進(jìn)行定標(biāo)操作。TMS320F240還包含輔助寄存器算術(shù)單元。這類算術(shù)單元獨(dú)立于CALU。ARAU的主要功能是對(duì)8個(gè)輔助寄存器(從AR0到AR7)執(zhí)行算術(shù)操作，該操作可與CALU中的操作并行進(jìn)行。
為加強(qiáng)信號(hào)處理能力，TMS320F240采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，即獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和總線結(jié)構(gòu)。程序總線傳輸程序存儲(chǔ)空間內(nèi)的指令代碼和立即操作數(shù)，數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與CALU。輔助寄存器等部分連接到一起。而且程序和數(shù)據(jù)總線都可以在一個(gè)指令周期內(nèi)將片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送入乘法器以完成一次乘加運(yùn)算。TMS320F240具有很高的并行機(jī)制，數(shù)據(jù)在CALU中被處理的同時(shí)，在ARAU中還可以進(jìn)行算術(shù)操作。這種并行機(jī)制的結(jié)果是在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一系列算術(shù)、邏輯和位操作。
圖3-14 DSP引腳圖
TMS320F240是該系列DSP控制器推出的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件，它確定了單片數(shù)字電機(jī)控制器的標(biāo)準(zhǔn)。其指令執(zhí)行速度是20MIP/S，幾乎所有的指令都可以在一個(gè)50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。這種高性能使復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行成為可能，例如自適應(yīng)控制和卡爾曼濾波。非常高的采樣速率也可以用來使環(huán)路延遲達(dá)到最小。TMS320F240不僅有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且它有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所必需的外圍設(shè)備。F240是利用亞微米CMOS技術(shù)制造的，達(dá)到了較低的功耗。
作為一個(gè)系統(tǒng)管理者，DSP必須有強(qiáng)大的片內(nèi)I/O端口和其他外圍設(shè)備。TMS320F240的時(shí)間管理器與其它任何DSP均不同，這個(gè)應(yīng)用優(yōu)化的外圍設(shè)備單元與高性能的DSP內(nèi)核一起，使在所有類型電機(jī)的高精度、高效、全變速控制中使用先進(jìn)的控制技術(shù)成為可能。事件管理器中包括一些專用的脈寬調(diào)制PWM發(fā)生函數(shù)。三個(gè)獨(dú)立的雙向定時(shí)器，每一個(gè)都有單獨(dú)的比較寄存器，可以用來支持產(chǎn)生不對(duì)稱的或?qū)ΨQ的PWM波形。
以下是F240的特點(diǎn)：
1．TMS320F2XX核心CPU
（1）32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU);
（2）32位加法器;
（3）16位X16位并行乘法器，32位乘積;
（4）三個(gè)定標(biāo)移位寄存器;
（5）8個(gè)16位輔助寄存器，帶有一個(gè)專用的算術(shù)單元，用來做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的間接尋址。
2．存儲(chǔ)器
（1）片內(nèi)544 X 16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序RAM;
（2）16K字X16位的片內(nèi)PROM或閃存EPROM;
（3）224K字X16位的最大可尋址存儲(chǔ)器空間(64K字的程序空間，64K字的數(shù)據(jù)空間，64K字的I/O空間和32K字的全局空間)；
（4）有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存儲(chǔ)器接口模塊，具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線；
（5）支持硬件等待狀態(tài)。
3．程序控制
（1）4級(jí)管道操作;
（2）8級(jí)硬件堆棧;
（3）六個(gè)外部中斷:電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷、復(fù)位、非屏蔽中斷NMI和三個(gè)可屏蔽中斷。
4．指令系統(tǒng)
（1）與TMS320家族的C2X,C2XX,CSX定點(diǎn)產(chǎn)品在源代碼級(jí)兼容；
（2）單指令重復(fù)操作；
（3）單周期的乘法/加法指令；
（4）程序/數(shù)據(jù)管理的存儲(chǔ)器塊移動(dòng)指令；
（5）牽引尋址功能；
（6）基于2快速傅立葉變換的位反轉(zhuǎn)索引尋址功能。
5．電源
（1）靜態(tài)CMOS技術(shù)；
（2）4種低電源模式以降低電源損耗；
（3）仿真:與片內(nèi)掃描仿真邏輯相連的正EE標(biāo)準(zhǔn)11491測(cè)試訪問端口；
（4）速度:50ns(20MIPS)的指令周期，多數(shù)指令為單周期。
6．事件管理器
（1） 12個(gè)比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道(其中9個(gè)相互獨(dú)立)；
（2）三個(gè)16位通用定時(shí)器，有6種工作棋式，包括連續(xù)遞增和連續(xù)加/減計(jì)數(shù)；
（3）三個(gè)16位全比較單元，有死區(qū)功能；
（4）三個(gè)16位簡(jiǎn)單比較單元；
（5）四個(gè)捕獲單元，其中兩個(gè)有正交編碼器脈沖接口功能。
7．雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
8．28個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)用110引腳。
9．基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊。
10．帶實(shí)時(shí)中斷(RTI)的看門狗（WD）定時(shí)器模塊。
11．串行通訊接口(SCI)[12]。
PWM波的形成
PWM波形的產(chǎn)生主要利用了TMS32OF240的事件管理器模塊［１３］�，F(xiàn)在重點(diǎn)介紹其中的通用定時(shí)器，與全比較和簡(jiǎn)單比較單元相關(guān)的PWM單元。
事件管理器中有三個(gè)通用定時(shí)器。在實(shí)際應(yīng)用中，這些定時(shí)器可以用作獨(dú)立的時(shí)間基準(zhǔn)，如:控制系統(tǒng)中采樣周期的產(chǎn)生和為全比較單元以及相應(yīng)的PWM電路產(chǎn)生比較/PWM輸出的操作提供時(shí)間基準(zhǔn)。
其相關(guān)寄存器為16位的雙向計(jì)數(shù)器TXCNT.16位的周期寄存器TXPR和16位的比較控制器TXCMPR.(X=I,2,3)。通用定時(shí)器的輸入包括：內(nèi)部CPU時(shí)鐘、外部時(shí)鐘以及復(fù)位信號(hào)等。其輸出包括:通用定時(shí)器比較/PWM
輸出以及和比較單元的匹配信號(hào)等。
通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式有六種，分別為：停止/保持、單個(gè)遞增計(jì)數(shù)、連續(xù)遞增計(jì)數(shù)、雙向遞增/遞減計(jì)數(shù)、單個(gè)遞增/遞減計(jì)數(shù)以及連續(xù)遞增/遞減計(jì)數(shù)。
要產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，需要有一個(gè)合適的定時(shí)器來重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，一個(gè)比較寄存器來保持調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)，在響應(yīng)的輸出上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換。當(dāng)兩個(gè)值之間的第二個(gè)匹配產(chǎn)生或一個(gè)定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，響應(yīng)的輸出上會(huì)產(chǎn)生又一個(gè)轉(zhuǎn)換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時(shí)間就會(huì)與比較寄存器的值成比例。
圖3-15 DSP內(nèi)部PWM發(fā)生電路框圖
圖3-15所示為F240內(nèi)部PWM控制信號(hào)發(fā)生電路框圖。
為了獲得對(duì)稱PWM輸出，我們?cè)谲浖现豁氉鲆韵鹿ぷ鳎?br />
（1）配置ACTR來定義全比較輸出引腳的極性；
（2）配置 COMCON來使能比較操作和禁止空間向量模式，并設(shè)置ACTR和CMPRX的重載條件為下溢；
（3）GP定時(shí)器1置為連續(xù)加/減計(jì)數(shù)模式并啟動(dòng)操作。
另外，為了避免同一橋臂上串聯(lián)的兩個(gè)功率開關(guān)器件的開啟時(shí)間不會(huì)互相重疊以至擊穿，6路PWM脈沖還帶有可編程死區(qū)。設(shè)置死區(qū)定時(shí)器的控制寄存器(DBTCON)的相應(yīng)位來確定死區(qū)時(shí)間[13]。
電路的理想波形
如下圖3-16所示，分別是諧振電流波形Z，及Z和Z的理想驅(qū)動(dòng)波形。
圖3-16諧振電流波形及Z、和Z、Z的驅(qū)動(dòng)波形
電源輸出波形如圖3-17。
圖3-17 電源輸出電流波形
脈沖電容的理想波形如下圖3-18。
圖3-18 脈沖電容C上的電壓
本章小結(jié)
本章主要介紹了高壓軟開關(guān)充電電源的設(shè)計(jì)過程。詳細(xì)討論了串聯(lián)負(fù)載型DC—DC變換電路的工作原理和三種工作方式，并指出串聯(lián)負(fù)載型DC—DC變換電路是最適合與給高壓脈沖電容充電的電路形式。本章還介紹了用霍爾傳感器進(jìn)行電壓和電流的檢測(cè)方法，以及用EXB841對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方法，以及用DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)所要做的工作。給出了充電電源的理想驅(qū)動(dòng)波形和電容電壓波形。
結(jié)論
經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和研究，我對(duì)開關(guān)電源的理論和設(shè)計(jì)方法有了更深刻的認(rèn)識(shí)，結(jié)合作者在完成論文過程中所學(xué)到的知識(shí)及獲得的經(jīng)驗(yàn)，可得到以下結(jié)論：
1．串聯(lián)諧振開關(guān)電路工作于恒流源狀態(tài)。綜合考慮充電效率、電路實(shí)現(xiàn)難易程度、體積等該電路是最適合電容器充電的。在基本電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新,提高充電穩(wěn)定度,能使其適應(yīng)大范圍的重復(fù)頻率及儲(chǔ)能電容的容量變化。應(yīng)用前景將十分廣泛是傳統(tǒng)充電電源的升級(jí)換代品。
2．采用了當(dāng)前比較流行的PWM與諧振變換相結(jié)合的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這大大減小了開關(guān)損耗。采用高頻開關(guān)功率DC/DC變換技術(shù)，從而大大減小了電源的體積和電源的噪聲，基本消除了噪聲對(duì)環(huán)境的污染。
3．采用DSP 技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，有效地簡(jiǎn)化了線路設(shè)計(jì)、增加了輸出電流和電壓的穩(wěn)定性、減少了輸出電流波形失真度，從而提供更加穩(wěn)定、精確、高質(zhì)量的電壓波形。同時(shí)，數(shù)字化的控制較模擬化控制更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)更加方便，滿足對(duì)高質(zhì)量開關(guān)電源的可靠性和實(shí)時(shí)控制的要求。
本論文的完成過程只有一個(gè)學(xué)期，時(shí)間很短，加之本人知識(shí)水平有限，對(duì)各種開關(guān)電源的理解還不夠深入，所以論文只能在一個(gè)教淺的層面進(jìn)行討論。特別是缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得所有的研究只限于理論，不足之處我深感遺憾，并爭(zhēng)取在今后的學(xué)習(xí)、工作中進(jìn)一步提高認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)欠缺。
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