基于DSP的智能通信开关电源设计及开发
|
摘要
高频开关电源系统具有体积小、重量轻、高效节能、输出纹波小等优点，现已开始逐步成为现代通信设备的新型基础电源系统。本文针对目前通信电源系统中模拟控制方法所存在的控制电路结构复杂，一旦设计完成控制策略就不能改变等固有缺点，采用基于DSP的数字控制方式，设计了一款48V／50A的通信高频开关电源，利用小信号模型，建立电压环与电流环双环控制结构，直接生成数字PWM波形，经脉冲变压器隔离，驱动主电路与功率因数校正电路的功率开关管，较好的克服了以上缺点。
本文在研究中，利用了软开关技术以提高电源转换效率，采用了全桥移相控制ZVSPWMDC／DC变换器作为电源的主变换电路，分析了全桥移相控制变换器的工作原理及各个时刻的电路特征，并针对全桥移相控制变换器副边占空比丢失的问题，结合当前采用的解决方案，提出了保留高频变压器原边串联的谐振电感以及在滞后臂处增设辅助谐振网络，分析了该结构的工作原理，从而实现超前臂和滞后臂开关管的零电压开关。
本文按照高频开关电源的设计步骤，对主要元器件进行了参数的计算以及选型，利用PSpice软件对所设计的主电路进行了仿真分析以及参数优化。提出了一种新颖的基于DSP的数字化移相脉冲生成办法，该方法充分利用DSP内部的全比较资源，产生的脉冲经过脉冲变压器隔离，直接驱动主电路以及有源功率因数校正电路的功率开关管。并建立了移相全桥变换器的小信号模型，给出了该系统的传递函数，利用Matlab进行Bode图的绘制，证明所建立的电压环与电流环双环控制系统是稳定的。同时介绍了功率因数校正电路，重点分析了两级有源功率因数校正的工作原理，并给出了Boost电路的传递函数，并给出了基于Matlab／Simulink的仿真结果，针对数字控制中的采样值，分别设计了有源功率因数校正电路的输入电压、输入电流和输出电压的采样电路。
本电源的输出电压为48V，功率为2400W，开关频率为100KHz，纹波系数不大于±0.2％，电源效率不低于88％，功率因数不低于0.99。
High frequency switch mode power supply, which has the advantages of light, high efficiency and small output voltage ripple, now has been applied step by step in the new type power system of modern communication devices. This thesis focuses on the full digital control which is based on digital signal process (DSP). A communication switch mode power supply (SMPS) with the output 48V/50A has been designed. By using the small signal mode, we have built the two circle loops which contain the voltage loop and the current loop in order to generate the digital pulse-width modulation (DPWM). The full digital control system could overcome these disadvantages that analog system has.
During the research, transform efficiency of the power supply have been increased by using soft switching technology. And the structure of full-bridge phase-shift control zero-voltage switching pulse-width modulation (FB-PS-ZVS PWM) has been adopted as the main transition circuit of power supply. Combined with the current methods, a new solution, including adding the resonant inductance to the primary side of the transformer and assistant-resonant network, has been put forward to making up the duty circle lost of the transformer's second side. The operate principle has been introduced.
According to the design-process of high-frequent switch mode power supply, this thesis has introduced the selection of the main elements. The main circuit has been optimized by using PSpice. A new method, which is making full use of the DSP's source, has been proposed to produce the digital phase-shift pulse. The thesis has built the small signal mode of the full-bridge phase-shift converter and its transfer function. Meanwhile, the power factor correct circuit (APFC) has also been discussed, especially on two-stage active power factor correction circuit. The results of simulation analysis have been proposed, which is based on Matlab/Simulink. And the sample circuits of input voltage, input current and output voltage of the APFC have also been built.
The power supply has the parameters listed as below:
Output voltage: 48V, output power: 2400W, switching frequency: 100KHz, ripple modulus: within 0.2%, efficiency: higher than 88%, power factor: higher than 0.99.
本文在研究中，利用了软开关技术以提高电源转换效率，采用了全桥移相控制ZVSPWMDC／DC变换器作为电源的主变换电路，分析了全桥移相控制变换器的工作原理及各个时刻的电路特征，并针对全桥移相控制变换器副边占空比丢失的问题，结合当前采用的解决方案，提出了保留高频变压器原边串联的谐振电感以及在滞后臂处增设辅助谐振网络，分析了该结构的工作原理，从而实现超前臂和滞后臂开关管的零电压开关。
本文按照高频开关电源的设计步骤，对主要元器件进行了参数的计算以及选型，利用PSpice软件对所设计的主电路进行了仿真分析以及参数优化。提出了一种新颖的基于DSP的数字化移相脉冲生成办法，该方法充分利用DSP内部的全比较资源，产生的脉冲经过脉冲变压器隔离，直接驱动主电路以及有源功率因数校正电路的功率开关管。并建立了移相全桥变换器的小信号模型，给出了该系统的传递函数，利用Matlab进行Bode图的绘制，证明所建立的电压环与电流环双环控制系统是稳定的。同时介绍了功率因数校正电路，重点分析了两级有源功率因数校正的工作原理，并给出了Boost电路的传递函数，并给出了基于Matlab／Simulink的仿真结果，针对数字控制中的采样值，分别设计了有源功率因数校正电路的输入电压、输入电流和输出电压的采样电路。
本电源的输出电压为48V，功率为2400W，开关频率为100KHz，纹波系数不大于±0.2％，电源效率不低于88％，功率因数不低于0.99。
High frequency switch mode power supply, which has the advantages of light, high efficiency and small output voltage ripple, now has been applied step by step in the new type power system of modern communication devices. This thesis focuses on the full digital control which is based on digital signal process (DSP). A communication switch mode power supply (SMPS) with the output 48V/50A has been designed. By using the small signal mode, we have built the two circle loops which contain the voltage loop and the current loop in order to generate the digital pulse-width modulation (DPWM). The full digital control system could overcome these disadvantages that analog system has.
During the research, transform efficiency of the power supply have been increased by using soft switching technology. And the structure of full-bridge phase-shift control zero-voltage switching pulse-width modulation (FB-PS-ZVS PWM) has been adopted as the main transition circuit of power supply. Combined with the current methods, a new solution, including adding the resonant inductance to the primary side of the transformer and assistant-resonant network, has been put forward to making up the duty circle lost of the transformer's second side. The operate principle has been introduced.
According to the design-process of high-frequent switch mode power supply, this thesis has introduced the selection of the main elements. The main circuit has been optimized by using PSpice. A new method, which is making full use of the DSP's source, has been proposed to produce the digital phase-shift pulse. The thesis has built the small signal mode of the full-bridge phase-shift converter and its transfer function. Meanwhile, the power factor correct circuit (APFC) has also been discussed, especially on two-stage active power factor correction circuit. The results of simulation analysis have been proposed, which is based on Matlab/Simulink. And the sample circuits of input voltage, input current and output voltage of the APFC have also been built.
The power supply has the parameters listed as below:
Output voltage: 48V, output power: 2400W, switching frequency: 100KHz, ripple modulus: within 0.2%, efficiency: higher than 88%, power factor: higher than 0.99.
引文
[1] 李爱文．现代通信基础开关电源的原理和设计．北京：科学出版社，2001．
[2] 许文龙，胡信国．现代通信电源技术．北京：人民邮电出版社，2000．
[3] 刘贤兴，李众，李捷辉等．新型智能开关电源技术．北京：机械工业出版社，2003．
[4] 蔡宣三．电子电源的市场发展趋势．中国电子报，1996．12．
[5] Souvik C, Somshubhra D.A digital current mode control technique for DC-DC converters. Applied Power Electronics Conference and Expostion, 2005, Vol. 2:885-891.
[6] 蔡宣三．通信开关电源技术的进展[J]．电信工程技术与标准化，2001，(06)：1-7．
[7] 蔡宣三．FEPPCON研讨会与电力电子的未来展望[J]．电力电子，2006，(01)：7-11．
[8] Fred C Lee. Power Electronics Trends&Opportunities. Proc. of 5th Hongkong IEEE Workshop of SMPS, 2002, Vol. 1:10-15.
[9] 杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术．北京：机械工业出版社，2004．
[10] 何希才．稳压电源电路的设计与应用．北京：中国电力出版社，2006．
[11] 王增福．软开关电源原理与应用．北京：电子工业出版社，2006．
[12] Ned M, Tore M. U, William P. R. Power electronics converters, applications, and design=电力电子学：变换器、应用和设计．北京：Higher Education Press，2004．
[13] 沙占友，文环明．DC／DC电源变换器的拓扑类型．电源技术应用．2006，Vol．9 NO．6：1-4．
[14] 李金伴，李捷辉，李捷明．开关电源技术．北京：化学工业出版社，2006．
[15] 张波．高频软开关技术及其应用．新技术新工艺，1999，(02)：6-8．
[16] Tamots N. soft Switching Converters. Password, Shindengen El. Mfg. Co. Ltd.1999.
[17] 邢岩，蔡宣三．高频功率开关变换技术．北京：机械工业出版社，2005．
[18] Kazimierczuk M K. Optimal Topologies of Resonant DC/DC Converters. IEEE Trans. On AES, 1989,25(3):363-371.
[19] 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000．
[20] 周志敏，周纪海，纪爱华．现代开关电源控制电路设计及应用．北京：人民邮电出版社，2005．
[21] Tang P. H, Yang G. J, Li T. C et al. A Novel FB ZVS PWM DC-DC Converter Based on Digital Control. 6th World Congress on Intelligent Control and AutomatiOn, Dalian, 2006. 6, Vol. 2: 8457-8461.
[22] 刘胜利．高频开关电源实用新技术．北京：机械工业出版社，2005．
[23] 林渭勋．现代电力电子技术．北京：机械工业出版社，2005．
[24] 侯振义．直流开关电源技术及应用．北京：电子工业出版社，2006．
[25] Fatemah S.H, Ashoka K.S.B. A Novel Pulse Width Control Scheme for Fixed-Frequency Zero-Voltage-Switching DC/DC PWM Bridge Converter. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2001, Vol. 48, No. 1:101-109.
[26] YD／T 73 1-2002通信用高频开关整流器，中华人民共和国通信行业标准．
[27] Abraham I．Pressman．开关电源设计(第二版)．王志强等译．北京：电子工业出版社，2005．
[28] 赵修科．实用电源技术手册 磁性元件分册．沈阳：辽宁科学技术出版社，2002．
[29] Marry Brown．开关电源设计指南．北京：机械工业出版社，2004．
[30] 沙占友．新型单片开关电源设计与应用技术．北京：电子工业出版社，2004．
[31] Intusoft Corporation. Magnetics Designer User Guide.
[32] 李定宣．开关稳定电源设计与应用．北京：中国电力出版社，2006．
[33] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/86318/STMICROELECTRONICS/STW30NM60D.html
[34] 何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001．
[35] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/5591/MOTOROLA/MUR6040.html.
[36] 郑光钦．全能混合电路仿真OrCAD PSpice A／D V9．北京：中国铁道出版社，2000．
[37] 李永，董欣．PSpice电路优化程序设计．北京：国防工业出版社，2004．
[38] 陈建业．电力电子电路的计算机仿真．北京：清华大学出版社，2003．
[39] 张敏娟．48V25A通信用高频开关电源的研究与开发：(硕士学位论文)．南京：河海大学，2005．
[40] 陈亚非．一种应用于雷达系统的高压大功率电源及控保系统的研制与PSPICE仿真：(硕士学位论文)．济南：山东大学，2006．
[41] 陈青昌．移相全桥数字化ZVS直流变换器研究：(硕士学位论文)．武汉：华中科技大学，2005．
[42] 洪峰．数字控制移相全桥软开关变换器：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天大，2004．
[43] Delli C V, Di S R, Marignetti F. DSP controlled soft-switching full-bridge DC-DC converter. IEEE Trans on Industrial Electronics, 2002, Vol. 3:754-759.
[44] 刘和平，邓力，江渝等．DSP原理及电机控制应用．北京：北京航空航天大学出版社，2006．
[45] 彭力．基于状态空间理论的PWM逆变电源控制技术研究：(博士学位论文)．武汉：华中科技大学，2004．10．
[46] 杨旭，赵志伟，王兆安．移相全桥型零电压软开关电路谐振过程的研究．电力电子技术，1998，(3)：36-39．
[47] 丘水生．开关功率变换器符号分析方法的原理．电子学报，1997．01，Vol．25，No．1：5-10．
[48] 何衍庆，姜捷，江艳君等．控制系统分析、设计和应用—Matlab语言的应用．北京：化学工业出版社，2003．
[49] 李传琦．电力电子技术计算机仿真实验．北京：电子工业出版社，2006．
[50] 周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源功率因数校正电路设计与应用．北京：人民邮电出版社，2004．
[51] Wei Tang. Average Current-Mode Control&Charge Control for PWM Converters. Dissertation for PHD Degree, VPED, USA, 1994.
[52] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP集成开发与应用实例．北京：电子工业出版社，2002．
[53] 刘和平．TMS320LF204xDSP结构、原理与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[54] Hua G, Leu C S, Jiang Y, et al. Novel ZVT PWM Converters. IEEE Trans on Power Electronics, 1994,9(2):213-219.
[55] Zhou J.H, Lu Z.Y, Lin Z.Y et al. A novel DSP controlled 2 kW PFC converter with a simple sampling algorithm. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2000, Vol.1:434-437.
[56] Mobin S, Hiraki E, Takano H, et al. Simulation method for DSP-controlled active PFC high-frequency power converters. Electric Power Applications, IEEE Proceedings, 2000, Vol.147:159-166.
[57] 黄燕．数字化电源的功率因数校正器的设计：(硕士论文)．成都：四川大学，2006．
[58] Luiz H S C B, Marcelo G S, Luiz C D F, et al. Analysis of a Soft-Switched PFC Boost Converter Using Analog and Digital Control Circuits. IEEE Trans. On Industrial Electronics, Vol. 52, No. 1:221-227.
[2] 许文龙，胡信国．现代通信电源技术．北京：人民邮电出版社，2000．
[3] 刘贤兴，李众，李捷辉等．新型智能开关电源技术．北京：机械工业出版社，2003．
[4] 蔡宣三．电子电源的市场发展趋势．中国电子报，1996．12．
[5] Souvik C, Somshubhra D.A digital current mode control technique for DC-DC converters. Applied Power Electronics Conference and Expostion, 2005, Vol. 2:885-891.
[6] 蔡宣三．通信开关电源技术的进展[J]．电信工程技术与标准化，2001，(06)：1-7．
[7] 蔡宣三．FEPPCON研讨会与电力电子的未来展望[J]．电力电子，2006，(01)：7-11．
[8] Fred C Lee. Power Electronics Trends&Opportunities. Proc. of 5th Hongkong IEEE Workshop of SMPS, 2002, Vol. 1:10-15.
[9] 杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术．北京：机械工业出版社，2004．
[10] 何希才．稳压电源电路的设计与应用．北京：中国电力出版社，2006．
[11] 王增福．软开关电源原理与应用．北京：电子工业出版社，2006．
[12] Ned M, Tore M. U, William P. R. Power electronics converters, applications, and design=电力电子学：变换器、应用和设计．北京：Higher Education Press，2004．
[13] 沙占友，文环明．DC／DC电源变换器的拓扑类型．电源技术应用．2006，Vol．9 NO．6：1-4．
[14] 李金伴，李捷辉，李捷明．开关电源技术．北京：化学工业出版社，2006．
[15] 张波．高频软开关技术及其应用．新技术新工艺，1999，(02)：6-8．
[16] Tamots N. soft Switching Converters. Password, Shindengen El. Mfg. Co. Ltd.1999.
[17] 邢岩，蔡宣三．高频功率开关变换技术．北京：机械工业出版社，2005．
[18] Kazimierczuk M K. Optimal Topologies of Resonant DC/DC Converters. IEEE Trans. On AES, 1989,25(3):363-371.
[19] 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000．
[20] 周志敏，周纪海，纪爱华．现代开关电源控制电路设计及应用．北京：人民邮电出版社，2005．
[21] Tang P. H, Yang G. J, Li T. C et al. A Novel FB ZVS PWM DC-DC Converter Based on Digital Control. 6th World Congress on Intelligent Control and AutomatiOn, Dalian, 2006. 6, Vol. 2: 8457-8461.
[22] 刘胜利．高频开关电源实用新技术．北京：机械工业出版社，2005．
[23] 林渭勋．现代电力电子技术．北京：机械工业出版社，2005．
[24] 侯振义．直流开关电源技术及应用．北京：电子工业出版社，2006．
[25] Fatemah S.H, Ashoka K.S.B. A Novel Pulse Width Control Scheme for Fixed-Frequency Zero-Voltage-Switching DC/DC PWM Bridge Converter. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2001, Vol. 48, No. 1:101-109.
[26] YD／T 73 1-2002通信用高频开关整流器，中华人民共和国通信行业标准．
[27] Abraham I．Pressman．开关电源设计(第二版)．王志强等译．北京：电子工业出版社，2005．
[28] 赵修科．实用电源技术手册 磁性元件分册．沈阳：辽宁科学技术出版社，2002．
[29] Marry Brown．开关电源设计指南．北京：机械工业出版社，2004．
[30] 沙占友．新型单片开关电源设计与应用技术．北京：电子工业出版社，2004．
[31] Intusoft Corporation. Magnetics Designer User Guide.
[32] 李定宣．开关稳定电源设计与应用．北京：中国电力出版社，2006．
[33] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/86318/STMICROELECTRONICS/STW30NM60D.html
[34] 何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001．
[35] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/5591/MOTOROLA/MUR6040.html.
[36] 郑光钦．全能混合电路仿真OrCAD PSpice A／D V9．北京：中国铁道出版社，2000．
[37] 李永，董欣．PSpice电路优化程序设计．北京：国防工业出版社，2004．
[38] 陈建业．电力电子电路的计算机仿真．北京：清华大学出版社，2003．
[39] 张敏娟．48V25A通信用高频开关电源的研究与开发：(硕士学位论文)．南京：河海大学，2005．
[40] 陈亚非．一种应用于雷达系统的高压大功率电源及控保系统的研制与PSPICE仿真：(硕士学位论文)．济南：山东大学，2006．
[41] 陈青昌．移相全桥数字化ZVS直流变换器研究：(硕士学位论文)．武汉：华中科技大学，2005．
[42] 洪峰．数字控制移相全桥软开关变换器：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天大，2004．
[43] Delli C V, Di S R, Marignetti F. DSP controlled soft-switching full-bridge DC-DC converter. IEEE Trans on Industrial Electronics, 2002, Vol. 3:754-759.
[44] 刘和平，邓力，江渝等．DSP原理及电机控制应用．北京：北京航空航天大学出版社，2006．
[45] 彭力．基于状态空间理论的PWM逆变电源控制技术研究：(博士学位论文)．武汉：华中科技大学，2004．10．
[46] 杨旭，赵志伟，王兆安．移相全桥型零电压软开关电路谐振过程的研究．电力电子技术，1998，(3)：36-39．
[47] 丘水生．开关功率变换器符号分析方法的原理．电子学报，1997．01，Vol．25，No．1：5-10．
[48] 何衍庆，姜捷，江艳君等．控制系统分析、设计和应用—Matlab语言的应用．北京：化学工业出版社，2003．
[49] 李传琦．电力电子技术计算机仿真实验．北京：电子工业出版社，2006．
[50] 周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源功率因数校正电路设计与应用．北京：人民邮电出版社，2004．
[51] Wei Tang. Average Current-Mode Control&Charge Control for PWM Converters. Dissertation for PHD Degree, VPED, USA, 1994.
[52] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP集成开发与应用实例．北京：电子工业出版社，2002．
[53] 刘和平．TMS320LF204xDSP结构、原理与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[54] Hua G, Leu C S, Jiang Y, et al. Novel ZVT PWM Converters. IEEE Trans on Power Electronics, 1994,9(2):213-219.
[55] Zhou J.H, Lu Z.Y, Lin Z.Y et al. A novel DSP controlled 2 kW PFC converter with a simple sampling algorithm. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2000, Vol.1:434-437.
[56] Mobin S, Hiraki E, Takano H, et al. Simulation method for DSP-controlled active PFC high-frequency power converters. Electric Power Applications, IEEE Proceedings, 2000, Vol.147:159-166.
[57] 黄燕．数字化电源的功率因数校正器的设计：(硕士论文)．成都：四川大学，2006．
[58] Luiz H S C B, Marcelo G S, Luiz C D F, et al. Analysis of a Soft-Switched PFC Boost Converter Using Analog and Digital Control Circuits. IEEE Trans. On Industrial Electronics, Vol. 52, No. 1:221-227.