闵铃
（邵阳学院，湖南 邵阳 422000）
【摘要】DSP技术具有强大的处理能力，将DSP应用于开关电源设计可极大的提升开关电源的性能。本文首先介绍DSP技术，再结合MC56F8323，分析基于DSP的数字开关电源的硬件设计。最后，基于DSP的数字开关电源的硬件系统中EMC及整流电路模块、 PFC 模块、主DC/DC电路模块、内置A/D转换模块、内部PWM模块5个主要硬件模块的设计与实现方法。
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关键词 DSP；开关电源；MC56F8323
0 引言
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，包括脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET两部分。与其它类型电源相比它不仅具有体积小和重量轻的优点，开关电源的效率也更高，因而开关电源被广泛应用于各个电子领域，如家电行业、交通设施、工业设备等等。随着数字技术的发展，DSP芯片技术日益成熟，DSP芯片的功能也日益强大和完善，性价比不断上升。DSP芯片技术的完善也为开关电源应用数字控制提供了可行性方案。本文就基于DSP的数字开关电源的设计与实现进行探讨。
１ DSP概述
DSP（数字信号处理器）是一种依靠数字运算处理信息的独特微处理器，工作原理如下：模数转换器接受模拟信号后再将其转换成0和1的数字序列，再对其进行数字滤波、IFFT等数学运算处理[1]。并结合相应的控制算法将数字信号生成相应的控制量，最后经过数模转换器或者PWM信号将其转换成所需的形式，例如通过数模转换器将控制量转换成模拟信号。DSP的可编程性灵活、计算能力强，DSP最高可执行数十亿条各种类型的计算指令，其执行能力远远强于其它处理器。
2 基于DSP的数字开关电源硬件整体设计
基于DSP的数字开关电源系统是一个综合性很强的系统，它由硬件系统和软件系统组成，基于DSP的数字开关电源开发过程设计电子工程、软件工程等多个方面的知识。本文结合飞思卡尔公司生产的MC56F8323开关电源，介绍基于DSP的数字开关电源系统硬件设计。
基于DSP的数字开关电源的硬件系统由EMC 模块、PFC 模块、DC-DC模块、控制器模块、驱动电路五个部分组成，EMC模块消除可消除200V市电的共模和差模的干扰，同时减少开关管产生的高频干扰进入市电，从而减少市电受高频干扰的程度[2]。PFC模块的功能为提高电源的功率因子，减少无功功率；DC-DC模块负责对不同的电压进行转换处理，将不同的电压转换成适宜的电压，再输出电压。控制器模块负责电压和电流采样工作；监控直流电压稳定输出情况，并实时反馈电压输出情况；反馈电源实施运行状态，采取智能控制措施；与主机通信。驱动电路的功能在于将MOSFET转换成所需的电压，并提MOSFET的驱动能力。
3 基于DSP的数字开关电源硬件系统主要模块设计即实现
3.1 EMC及整流电路模块
EMC模块消除可消除200V市电的共模和差模的干扰，同时减少开关管产生的高频干扰进入市电，从而减少市电受高频干扰的程度。整流电路负责处理交流电，将交流电的负半周转变成正半周，从而将交流电转变成脉动直流电。EMC及整流电路结构包括热敏电阻、差模电容、共模电容、工模变压器、整流桥几个主要部分。热敏电阻属于保护装置，由于系统启动初期的电阻较大，但是输入的电流量较小，电阻过大会导致系统发热严重。而且随着电阻逐渐减少，系统通过的电流量会逐渐增加，通过的电流处于较高水平。热敏电阻可以降低启启动时产生的冲击电流，防止插座出现打火现象，保护电源和插座安全，避免引发火灾或其它危害。差模电容和共模电容设计需根据需求设计。虽然差模电容和共模电容越大，其效果也越好。但是，如果差模电容和共模电容越大，接地电流也越大，安全风险也越高。一旦接地保护措施不完善，容易出现触电事故。因而差模电容和共模电容容量不得超过1nF。共模变压器的作用在于消除共模和差模干扰，EMC及整流电路模块通常具有两个共模变压器，如果两个共模变压器的线圈匝数相同，极性相反。在输出电流不相等情况下，则容易产生较大的磁通，并与电容共同形成滤波器，抑制共模干扰。整流桥的作用为将交流电转变成脉动直流电，再输入PFC电路中[3]。
3.2 PFC 模块电路设计及实现
PFC 模块电路的主要器件有电感、MOS管、二极管三个，由于在MOS管道通路是，二极管需承受400V电压，而且二极管的导通与截至频率更高，因而要选择恢复能力更快的二极管。同理，MOS管也需要承受高压，因而要选择内阻更小的MOS管。而在电感的选择上，要根据最大情况下的磁化强度选择电感，避免出现磁饱和情况。
3.3 主DC/DC电路模块
由于通常情况下，开关电源的输入电源远远高于安全电压，因而应设计为隔离电源，隔离输出直流低电压和输入高电压。隔离电源设计结构单端反激和正激、半桥式和全桥式、双端正激式隔离电源扑拓结构。每种扑拓结构由各自的优缺点，如单端反激适用于100W以下的开关电源；双端反激结果多用于开关管耐压性低于输入电压的开关电源上。单端正激结构设计使开关管承受的电源压力较高，通常为电源压力的两倍。如果开关管耐压性较高，而MOS管的导通电阻则会很小，这种设计方式不利于高校转换输入电流电压。双端正激结构设计采用双开关管，这种设计可以让开关管分别承受一个电源电压，这种设计方式的成本及效率高较高。半桥式结构设计也采用双开关管设计方式，但是初次线圈的电压较低，而电流却更高，因而半桥式结构设计方式的效率不高。半桥式结构设计的优点在于在相同功率下，半桥式设计方式可选用更小的芯片[4]。全桥式结构采用4开关管，它同时具备正激式和半桥式结构的优点，多用于功率超过1000W的开关电源。
3.4 内置A/D转换模块设计与实现
由于该MC56F8323内置A/D转换功能模块，因而无需转换芯片。内置A/D转换模块电路设计可采用BAV99作为保护电路，并设置安装低通滤波器降低噪声。由于DSP位于低压二次测，需要将一次侧的电流信号隔离放大后才能输入二次侧的AD内采样。
3.5 内部PWM模块
硬件系统所需的PWM信号只有两路互补PWM信号，一路同步整流电路，另一路是DC/DC开关管。因而内部PWM模块需要使用4路PWM信号，并使用驱动电路提升DSP输出PWM信号驱动能力。PFC电路及DC/DC开关管位于一次侧，需采用隔离驱动处理；位于二次侧的同步整流信号则无需采用隔离处理[5]。
4 结语
虽然DSP芯片结构设计复杂，制造成本更高、控制技术难度大且不容易掌握，而且部分单片机的可以实现部分DSP芯片功能。但是基于DSP的数字开关电源具备数据处理能力大、数据处理速度快、控制能力强且可以实现实时控制，DSP强大的数据处理能力和控制能力是其它技术所无法比拟的。DSP技术可以快速满足各种复杂的控制算法，从而很好的实现对电源的控制，满足开关电源的各项需求。而且扩展能力和可控性更强，升级维护简单。因而基于DSP的数字开关电源在未来仍具有极大的发展前景，值得相关人员深入研究。
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参考文献
［1］胡时高，虎恩典，丁晓军，刘勇.基于DSP控制的数字开关电源设计[J].制造业自动化，2014（11）.
［2］张国龙，郑琛瑶.DSP数字控制开关电源设计及控制算法研究[J].现代电子技术，2014（21）.
［3］王爱玲，房亚民，冯晶.基于DSP控制的数字开关电源综述[J].通信电源技术，2012（01）.
［4］李飞亮,张琳洁.基于DSP的大功率数字开关电源设计[J].电子技术，2011，（12）.
［5］罗凌.基于DSP控制的大功率开关电源抗干扰设计[J].兵工自动化，2013（12）.
［责任编辑：薛俊歌］