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基于DSP的智能功放开关电源设计

基于DSP的智能功放开关电源设计

摘要：针对音响功放环保节能的需要，设计一款新型功放开关电源的控制系统．该系统可应用于大型功放系统的DSP控制。详细描述系统的组成结构和软硬件设计。该系统采用TMS320F2812为主控制器，电路结构简化，数字控制功放电源。实验结果表明，该系统具有良好的调节功能，既满足一定控制精度要求，又满足实时性要求，在高端大功率音响功放中具有较大的应用前景。

关键词：DS；音响功放；开关电源；全桥移相

1引言

开关电源以体积小，重量轻，功耗低，效率高，纹波小，噪声低，智能化程度高，易扩容等，逐渐替代工频电源，广泛应用于各种电子设备。高可靠性、智能化及数字化是开关电源的发展方向。音响功放要求电源随着负载变化自动调整输出电压，进而调节功率，以提高电源动态性能，降低音响功放内部损耗，但目前的开关电源无法实现。选用TMS320F2812型DSP作为功放开关电源的主控制器，设计一种低功耗。适用于大型功放系统的新型的智能功放开关电源。

2智能功放开关电源设计

图1为智能音响功放开关电源的总体原理框图，主电路采用交一直一交一直的结构。输入工频220V交流电路经滤波电路后，再经单相桥式整流电路输出直流电压；变换电路采用全桥移相逆变电路将前端直流电变换为高频的交流电．然后经二次整流滤波输出稳定的直流电压；检测电路对输出电压信号采样后，送入控制电路，通过改变控制电路输出脉宽占空比来调节输出电压；保护电路实现过压和过流保护；功率检测电路对变换电路电流采样，当输出功率超过500W时，产生过功率检测信号，驱动控制电路，降低输出电压：辅助电源电路为控制电路和各种运放供电。

2．1功放开关电源模块

图2是功放开关电源的主电路，其中Vin是220V交流输入经前端滤波和全波整流得到，电压为300V。为全桥逆变电路的输入电压。VQ1、VQ2、VQ3、VQ4为IRFP460型大功率MOSFET，用作变换器开关管。由于IRFP460型MOSFET是多数载流子器件，开关速度极快，开通和关断时间的典型值一般20ns，具有较高的击穿电压和较大的工作电流。此外，MOSFET的输入阻抗高，驱动电路较简单，只要在栅源之间加10V左右的电压，就可使其饱和导通。L4、C5、C6构成辅助谐振网络，考虑到变压器原边漏感，谐振电感LT的取值一般比实际值小，这里选用电感值为34μH的非线性饱和电感1μF的，考虑到高频脉冲变压器T1磁饱和问题，原边绕组串接防偏磁电容，VD15和VD16，VD17和VD18分别为全波整流二极管，L1、C13、EC1、EC2和L2、C14、EC3、EC4分别为+35V和-35V输出回路的滤波电路。

2．2功放开关电源模块控制电路

该控制电路以DSPTFMS320F2812为核心，主要包括产生移相脉冲波形、实时采样、功率调节、过压保护、过流保护、过功率保护、滤波算法和全桥移相算法等功能。采用TMS320F2812内置的16路12位高分辨率A／D转换电路实现电压、电流实时采样．每通道的最小转换时间为80ns，A／D转换电路的输入信号电平范围为0～3V。采样后，通过软件编程调整驱动全桥逆变器开关管的PWM波形移相角，实现稳压，同时当输出电压、电流过高或欠压时，DSP调用相应的子程序处理突发异常事件，起到保护作用。同时通过A／D采样输出电压电流信号进行运算，可精确测量输出功率，并调整事件管理器相关寄存器的值来调节输出电压。

控制器的动态特性和稳压精度等性能与调节器设计密切相关。在功放开关电源的设计中，采用增量式PID控制算法。

电源设计中的数字控制均采用数字采样控制，即根据采样时刻的偏差值计算控制量。PID控制的离散形式为：

式中，Ts为采样周期。

式(1)为是位置式PID控制算式。为增加控制系统的可靠性，采用增量式PID控制算式，即DSP只输出控制量u(k)的增量，式(1)是第K次PID控制器的输出量，那么(K-1)次PID控制器的输出量为：

因此，增量式PID控制算法为：

式(3)和式(4)就是该控制程序的增量式PID控制算式。增量式PID控制与位置式PID控制相比仅算法不同，但它只输出增量，减少了DSP误操作时对控制系统的影响，而且不会产生积分失控。图3为基于TMS320F2812的PID控制器的实现框图。

2．3功放开关电源的软件设计

基于DSP的功放开关电源的软件设计主要实现以下功能：

(1)全桥移相脉冲的产生利用TMS320F2812事件管理器中两个比较单元直接输出电路脉冲。从移相基本原理来看，滞后桥臂