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開關(guān)電源控制及觸發(fā)電路的設(shè)計(一)
控制及觸發(fā)電路的設(shè)計
電壓電流檢測
如圖3-7所示，電路的控制及觸發(fā)信號的產(chǎn)生均由DSP芯片產(chǎn)生。電路的控制很簡單，在DSP檢測到充電電容的電壓達到要求值后，關(guān)斷IGBT的驅(qū)動信號即可。其檢測信號由霍爾電壓傳感器來完成。霍爾電壓傳感器把檢測到的電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸入到DSP內(nèi)，DSP把進來的電壓信號與設(shè)定的信號進行比較，當電壓信號大于設(shè)定值時發(fā)出控制信號，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；
+：正電源；
-：負電源；
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)字信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入給DSP[10]。
輸出電流也采用霍爾電流傳感器采集信號，為DSP提供控制信號和保護信號.
IGBT的驅(qū)動
IGBT的驅(qū)動信號充分利用了DSP的功能，DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，但此PWM信號的驅(qū)動能力較差，不能直接驅(qū)動IGBT。DSP的驅(qū)動信號需經(jīng)放大信號放大在進行驅(qū)動。在此選富士電機公司的EXB841做為IGBT的驅(qū)動器。
EXB840（841）是高速型（最大40kHz 運行），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)和運行條件可參考其使用手冊。
圖3-12 EXB系列集成驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
EXB系列驅(qū)動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)動輸出；
腳４：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；
腳5：過流保護輸出；
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)動信號輸入（—，＋）[11]。
由于本系列驅(qū)動器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，因此能用于交流380V的動力設(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電路。EXB系列驅(qū)動器內(nèi)設(shè)有電流保護電路，根據(jù)驅(qū)動信號與集電極之間的關(guān)系檢測過電流，其檢測電路如圖3-13（a）。所示。當集電極電壓 高時，雖然加入信號也認為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅(qū)動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+15V電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個-5V關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時的誤動作。這兩種電壓（＋15V和-5V）均可由20V供電的驅(qū)動器內(nèi)部電路產(chǎn)生，如圖3-13(C)所示。
a)過電流檢測器 b）關(guān)斷時集電極電流波形 c）柵極電壓產(chǎn)生
圖3-13 過電流檢測及相關(guān)電流波形
DSP的選擇
目前市場上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公司被公認為DSP領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導者和開拓者。本課題決定采用TI公司專為數(shù)字電機控制而設(shè)計的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芯片具有高性能運算能力的16位定點DSP內(nèi)核和高效的指令集。通過把一個高性能的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)計的一種廉價的替代品。每秒2k萬條指令的處理速度，使F240 DSP控制器可以遠遠超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。F240器件的16位定點DSP內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設(shè)計者提供了一個不犧牲系統(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32位的中央算術(shù)邏輯單元和累加器。CALU具有獨立的算術(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)字信號處理中的基本運算。在將乘積寄存器的值送入CALU之前，乘積移位器將對乘積寄存器值進行定標操作。TMS320F240還包含輔助寄存器算術(shù)單元。這類算術(shù)單元獨立于CALU。ARAU的主要功能是對8個輔助寄存器(從AR0到AR7)執(zhí)行算術(shù)操作，該操作可與CALU中的操作并行進行。
為加強信號處理能力，TMS320F240采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，即獨立的程序和數(shù)據(jù)存儲空間和總線結(jié)構(gòu)。程序總線傳輸程序存儲空間內(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)總線都可以在一個指令周期內(nèi)將片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)或片外程序存儲器中的數(shù)據(jù)送入乘法器以完成一次乘加運算。TMS320F240具有很高的并行機制，數(shù)據(jù)在CALU中被處理的同時，在ARAU中還可以進行算術(shù)操作。這種并行機制的結(jié)果是在一個指令周期內(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標準器件，它確定了單片數(shù)字電機控制器的標準。其指令執(zhí)行速度是20MIP/S，幾乎所有的指令都可以在一個50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。這種高性能使復雜控制算法的實時執(zhí)行成為可能，例如自適應控制和卡爾曼濾波。非常高的采樣速率也可以用來使環(huán)路延遲達到最小。TMS320F240不僅有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點，而且它有為電機控制應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，達到了較低的功耗。
作為一個系統(tǒng)管理者，DSP必須有強大的片內(nèi)I/O端口和其他外圍設(shè)備。TMS320F240的時間管理器與其它任何DSP均不同，這個應用優(yōu)化的外圍設(shè)備單元與高性能的DSP內(nèi)核一起，使在所有類型電機的高精度、高效、全變速控制中使用先進的控制技術(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)。三個獨立的雙向定時器，每一個都有單獨的比較寄存器，可以用來支持產(chǎn)生不對稱的或?qū)ΨQ的PWM波形。
以下是F240的特點：
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）三個定標移位寄存器;
（5）8個16位輔助寄存器，帶有一個專用的算術(shù)單元，用來做數(shù)據(jù)存儲器的間接尋址。
2．存儲器
（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級管道操作;
（2）8級硬件堆棧;
（3）六個外部中斷:電源驅(qū)動保護中斷、復位、非屏蔽中斷NMI和三個可屏蔽中斷。
4．指令系統(tǒng)
（1）與TMS320家族的C2X,C2XX,CSX定點產(chǎn)品在源代碼級兼容；
（2）單指令重復操作；
（3）單周期的乘法/加法指令；
（4）程序/數(shù)據(jù)管理的存儲器塊移動指令；
（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標準11491測試訪問端口；
（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個比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道(其中9個相互獨立)；
（2）三個16位通用定時器，有6種工作棋式，包括連續(xù)遞增和連續(xù)加/減計數(shù)；
（3）三個16位全比較單元，有死區(qū)功能；
（4）三個16位簡單比較單元；
（5）四個捕獲單元，其中兩個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個獨立可編程的多路復用110引腳。
9．基于鎖相環(huán)的時鐘模塊。
10．帶實時中斷(RTI)的看門狗（WD）定時器模塊。
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］。現(xiàn)在重點介紹其中的通用定時器，與全比較和簡單比較單元相關(guān)的PWM單元。
事件管理器中有三個通用定時器。在實際應用中，這些定時器可以用作獨立的時間基準，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的PWM電路產(chǎn)生比較/PWM輸出的操作提供時間基準。
其相關(guān)寄存器為16位的雙向計數(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)。通用定時器的輸入包括：內(nèi)部CPU時鐘、外部時鐘以及復位信號等。其輸出包括:通用定時器比較/PWM
輸出以及和比較單元的匹配信號等。
通用定時器的計數(shù)方式有六種，分別為：停止/保持、單個遞增計數(shù)、連續(xù)遞增計數(shù)、雙向遞增/遞減計數(shù)、單個遞增/遞減計數(shù)以及連續(xù)遞增/遞減計數(shù)。
要產(chǎn)生一個PWM信號，需要有一個合適的定時器來重復產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器來保持調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時器計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時，在響應的輸出上就會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換。當兩個值之間的第二個匹配產(chǎn)生或一個定時器周期結(jié)束時，響應的輸出上會產(chǎn)生又一個轉(zhuǎn)換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時間就會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控制信號發(fā)生電路框圖。
為了獲得對稱PWM輸出，我們在軟件上只須做以下工作：
（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定時器1置為連續(xù)加/減計數(shù)模式并啟動操作。
另外，為了避免同一橋臂上串聯(lián)的兩個功率開關(guān)器件的開啟時間不會互相重疊以至擊穿，6路PWM脈沖還帶有可編程死區(qū)。設(shè)置死區(qū)定時器的控制寄存器(DBTCON)的相應位來確定死區(qū)時間[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)動波形。
圖3-16諧振電流波形及Z、和Z、Z的驅(qū)動波形
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)計過程。詳細討論了串聯(lián)負載型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行電壓和電流的檢測方法，以及用EXB841對IGBT進行驅(qū)動的方法，以及用DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號所要做的工作。給出了充電電源的理想驅(qū)動波形和電容電壓波形。
結(jié)論
經(jīng)過一個學期的學習和研究，我對開關(guān)電源的理論和設(shè)計方法有了更深刻的認識，結(jié)合作者在完成論文過程中所學到的知識及獲得的經(jīng)驗，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)上進行技術(shù)革新,提高充電穩(wěn)定度,能使其適應大范圍的重復頻率及儲能電容的容量變化。應用前景將十分廣泛是傳統(tǒng)充電電源的升級換代品。
2．采用了當前比較流行的PWM與諧振變換相結(jié)合的主電路拓撲結(jié)構(gòu)實現(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，基本消除了噪聲對環(huán)境的污染。
3．采用DSP 技術(shù)應用于開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，有效地簡化了線路設(shè)計、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，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)計更加方便，滿足對高質(zhì)量開關(guān)電源的可靠性和實時控制的要求。
本論文的完成過程只有一個學期，時間很短，加之本人知識水平有限，對各種開關(guān)電源的理解還不夠深入，所以論文只能在一個教淺的層面進行討論。特別是缺乏實踐經(jīng)驗，使得所有的研究只限于理論，不足之處我深感遺憾，并爭取在今后的學習、工作中進一步提高認識，彌補欠缺。
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