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申请报告
SPRAAB3 - 2005 年 7 月
设计基于 TMS320F280x 的数字控制 DC-DC 开关电源
Shamim Choudhury ..........................................数字电源，C2000 DSP 和 DSP 系统电源管理
摘要
本应用报告介绍了基于 TMS320F280x 的数字控制设计和高频直流 - 直流开关电源的实现。 从 DC-DC 降压转换器和一组给定的性能规格开始，在模拟控制设计方法中使用的不同控制块和参数在数字域控制设计之前进行了审查。 然后分析控制回路，并使用不同的控制设计方法设计数字控制器。 提供了代码示例，说明使用 TMS320F280x DSP 控制器的控制器实现。 这里介绍的基于 MATLAB 的数字控制设计方法最终通过原型转换器的多个测试结果进行验证。
内容
1 介绍 2
2 DC-DC 转换器的数字控制实现 2
3 结论 14
4 参考 15
图的列表
1 基于 DSP 的 DC-DC 转换器的数字控制 2
2 DC-DC 转换器数字控制环路采样方案 3
3 DC-DC 转换器控制回路框图在 S 域 4
4 DC-DC 转换器控制回路波特图 Gp（s）* Gc1（s）* Kd * Fm（MATLAB） 5
5 DC-DC 转换器负载瞬态响应（环路增益= Gp * Gc1 * Fm * Kd） 6
6 DC-DC 转换器数字控制回路框图 7
7 数字系统中的采样和保持过程 7
8 DC-DC 转换器数字控制回路波特图 Gp1 * Gc2（MATLAB） 8
9 DC-DC 转换器数字控制回路波特图 Gp2 * Gc2（MATLAB） 9
- DC-DC 转换器控制回路波特图 Gp2 * Gc2（原型测试结果
H / W） 10
11 DC-DC 转换器负载瞬态响应（环路增益= Gp2 * Gc2） 11
12 DC-DC 转换器数字控制回路波特图 Gp3 * Gc2（MATLAB） 12
13 DC-DC 转换器数字控制回路波特图 Gp3 * Gc3（MATLAB） 13
14 DC-DC 转换器负载瞬态响应（环路增益= Gp3 * Gc3） 13
15 DC-DC 转换器负载瞬态响应（环路增益= Gp3 * Gc3） 14
SPRAAB3 - 2005 年 7 月 设计基于 TMS320F280x 的数字控制 DC-DC 开关电源 1
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介绍
- 介绍
开关电源的数字控制在当今工业中变得越来越普遍，因为具有增强和集成电力电子外设（如模数（A / D）转换器和脉冲宽度的低成本，高性能 DSP 控制器的可用性调制器（PWM）。
基于 DSP 的数字控制允许实现更多功能的控制方案，针对多个平台的标准控制硬件设计以及快速设计修改的灵活性以满足特定的客户需求。 数字控制器不易老化和环境变化，并具有更好的抗噪声能力。 现代 32 位 DSP 控制器，例如 TMS320F280x，处理器速度高达 100MHz，增强型外设如高分辨率 PWM 模块， 12 位 A / D 转换器，转换速度高达 160nSec，32x32 位乘法器，32 位定时器和实时代码调试功能，为电源设计人员提供了数字控制的所有好处，并允许在不牺牲性能的情况下实现高带宽，高频率电源[1-4]。这些处理器的额外计算能力还允许实现复杂的非线性控制算法，将多个转换器控制集成到同一个处理器中，并优化总系统成本。 然而，大多数熟悉模拟控制设计的电源工程师在他们的设计中开始采用这些数字控制技术时面临着新的挑战。
由于 DSP 在控制电源方面刚刚开始认真考虑，因此需要解决数字控制环路设计和实现中的许多相关因素。准确地表示控制模块和相关的控制参数对于模拟设计人员来说至关重要，以使他们能够使用众所周知的模拟控制设计方法实现基于 DSP 的数字控制技术。 因此，该应用报告描述了一种基于 DSP 的数字控制设计和高频 DC-DC 转换器的实现。 从 DC-DC 降压转换器和一组给定的性能规格开始，它讨论了不同的控制模块，不同的控制设计方法，并强调了与模拟方法相比，数字域中设计控制的显着差异。 阐述了数字控制设计的两种方法，即通过仿真设计和直接数字设计。 这些首先在 MATLAB 中显示，然后通过实验结果进行验证。 在此过程中，采样延迟和计算延迟的影响也在 MATLAB 中分析，然后通过实验验证。最后，提供了实现设计控制器的汇编代码清单，以帮助用户使用类似的 DSP 控制的 dc-dc 转换器快速验证这些控制器。
- DC-DC 转换器的数字控制实现
图 1 显示了与 TMS320F280x DSP 控制器接口的数字控制 DC-DC 转换器的简化框图。
Iin Q1
Vout Kd
L
C
信号条件作用
门驱动
沃斯
A/D
PWM1
GC（Z）
Vref
图 1.基于 DSP 的 DC-DC 转换器数字控制
2 设计基于 TMS320F280x 的数字控制 DC-DC 开关电源 SPRAAB3 - 2005 年 7 月
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DC-DC 转换器的数字控制实现
如所示图 1，需要单个信号测量来实现 DC-DC 转换器的电压模式控制。 瞬时输出电压 Vout 由电压检测电路检测和调节，然后通过 ADC 通道输入到 DSP。 数字化感测输出电压 Vo 与参考 Vref 进行比较。 电压回路控制器 Gc 被设计成使输出电压 Vout 追踪参考 Vref 并且同时实现期望的动态性能。 该控制器的数字化输出 U 为降压调节器开关 Q1 提供占空比命令。 该命令输出用于计算片上 PWM 模块中定时器比较寄存器的适当值。 PWM 模块使用该值产生 PWM 输出，在这种情况下为 PWM1，最终驱动降压转换器开关Q1。
2.1 数字采样循环实现
图 2 显示了使用 DSP 片上外设的数字采样方案的一个例子。
/采样周期 N /
|
T\ |
N 1 |
抽样方案 1 |
||
|
T |
||||
|
义务 |
义务 |
|||
|
Tadc |
Tadc |
|||
|
开始 |
打断 |
开始 |
打断 |
|
|
ADC |
ADC |
写比较 写比较
码
执行
|
上下文保存 |
备用 |
|||||||
t
图 2. DC-DC 转换器数字控制环路采样方案
采样方案影响数字控制器设计，因此需要适当的关注。 通过配置片上定时器之一来设置 PWM 输出频率，在这种情况下为 T1。 在这个例子中，T1 产生一个双边沿调制（对称），250 kHz PWM 输出。 这些定时器具有相关的比较寄存器，用于写入计算的占空比值。 然后将这些值与定时器计数器值进行比较以生成 PWM 输出。 新写入的比较值影响实际 PWM 输出占空比的时间由相关的 PWM 控制寄存器控制。 在本例中， PWM 控制寄存器被设置为使得写入比较寄存器的新值在随后的定时器（T1）周期开始时改变实际的 PWM 输出占空比。 此外，ADC 控制寄存器的设置使得在 PWM 输出的 ON 脉冲中间触发 AD 转换。 转换完成后， ADC 模块立即产生一个中断。 AD 转换开始和此中断之间的时间延迟如下所示图 2，就像 Tadc 一样。 这次包括 AD 转换时间和处理器中断延迟。 在中断服务程序（ISR）内，用户软件从 ADC 结果寄存器中读取转换后的值，实现控制器，然后将新的 PWM 占空比值写入相应的 PWM 比较寄存器。 但是，这个新的占空比值会在后续 PWM 周期开始时生效。 从图 2 很清楚，在 ADC 采样时刻和 PWM 占空比更新之间的时间延迟 Td 是 PWM 周期的一半。 在这种情况下，PWM 周期和采样周期（Ts）相等，因此计算延迟为 Td = Ts / 2。也显示在图 2，ISR 内新的占空比值的计算在产生后续中断之前完成。 这意味着，在此采样频率下，处理器带宽（100 MHz）允许有足够的空闲时间来扩展 ISR 并执行多个控制器或其他时间关键型任务。 有些闲暇时间也可以通过从后台循环中运行来用于非时间关键任务。
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DC-DC 转换器的数字控制实现
2.2
DC-DC 控制器设计
本设计中使用的系统参数是：
Vin = 4〜6V，Vout = 1.6V，最大输出电流 Iout = 16A，RL = Vout / Iout = 0.1 欧姆（最小值）
- 最大输出电压（用于 ADC 信号缩放）Vomax = 2V
- PWM 频率 fpwm = 250kHz; 电压环路采样频率 fs = 250kHz
- 输出滤波器组件，L = 1.0uH，C = 1620uF，RC = 0.004 欧姆
-
所需的电压环路带宽 fcv = 20kHz 全文共13726字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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