CN102957327A - 一种dps控制的高压直流电源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种DPS控制的高压直流电源模块，它包括功率主电路与基于DSP的控制电路，功率主电路包括：交流输入、EMC保护单元、整流滤波单元、BUCK变换器、移相全桥可控逆变器、高频升压变换器、倍压整流单元、滤波器，控制电路包括：DSP控制单元、电压分压反馈取样单元、DSP辅助电源及键盘/显示电路。本发明以DSP为控制核心，使电源具有较好的可控性，且易升级、易维修。采用DSP芯片对电源主电路实现了全数字控制，输出电压设置定点可调，提高了输出电压的精度和稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压直流电源模块，特别是一种基于DSP控制的PWM型高压直流电源模块。
背景技术
随着电力电子技术及开关器件的发展，如新理论、新技术的指导，新器件、新材料的进步以及控制的智能化等等，开关电源技术已广泛地应用于高压直流电源技术中。利用开关电源技术产生比工频高上千倍频率的方波或正弦波可以大大减小高压电源的体积和重量，这是高压直流电源的重要发展趋势。
现有的电源广泛采用TL494, UC3875等专用电源芯片来驱动开关管，特定的电源芯片本身不可编程，可控性较差，难以扩展，不易升级和维修，同时电源芯片为模拟型芯片，具有模拟电路难以克服的由温漂和老化所引起的误差，无法保证***始终具有高精度和可靠性。
发明内容
针对现在技术的缺点，本发明提供了一种可编程、可控性好、扩展容易、升级和维修方便、精度和可靠性高的DPS控制的高压直流电源模块。
本发明的技术方案如下：
一种DPS控制的高压直流电源模块，包括功率主电路与基于DSP的控制电路：其中功率主电路包括：交流输入、EMC保护单元、整流滤波单元、BUCK变换器、移相全桥可控逆变器、高频升压变换器、倍压整流单元、滤波器，功率主电路的各个单元之间按输入/输出依次串接，交流输入电压经EMC保护单元滤波防止电磁干扰，再经整流滤波单元得到一直流电压，然后经BUCK变换器进行调压得到一个平滑的直流电压，经过移相全桥可控逆变器将电压逆变成一交流电压，再经高频升压变换器变为高频交流电压，然后通过倍压整流单元整流和滤波器滤波，得到需要的高质量、高品质的直流电压；
基于DSP的控制电路包括:DSP控制单元、电压分压反馈取样单元、DSP辅助电源及键盘/显示电路，其中电压分压反馈取样单元的输入连接于DSP控制单元进行采样，键盘/显示电路通过串口与DSP控制单元相连，DSP控制单元根据电压分压反馈取样单元取样的反馈电压计算移相全桥可控逆变器的前后桥臂相位差来控制输出电压，DSP辅助电源提供DSP控制电路的电源，键盘/显示电路显示电压电流值。
作为优选，所述的整流滤波单元选用MT3516型三相桥堆进行整流，滤波电容选用容量4700PF、耐压为交流400V的安规电容。
作为优选，所述的BUCK变换器选用IRFP460型的MOSFET作为BUCK电路的主开关管，续流二极管选用反向恢复时间短，具有软恢复特性的肖特基二极管。
作为优选，所述的移相全桥可控逆变器采用移相式全桥并联谐振结构，开关器件采用集成功率模块，谐振回路采用大电感和小电容串联谐振并联输出方式，其谐振频率小于开关频率。
作为优选，所述的高频升压变换器采用两个变压器，第一级隔离，第二级升压，高频升压变换器密封在油箱内，第一级变压器的初级和次级线圈匝数与第二级变压器的初级线圈匝数一样。
作为优选，所述的基于DSP的控制电路采用TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片为控制核心，电压分压反馈取样单元采用电压和电流双环反馈式来进行稳压控制，高压侧电压采用高压电阻分压器来进行采样，利用运放来进行阻抗匹配，然后利用线性光藕来隔离，最后信号通过分压滤波进入DSP的A/D转换。
本发明的有益效果是：整个电源***以DSP为控制核心，用单个芯片集中实现了移相全桥逆变技术、高压直流电源的输出电压选择和调节、整个***的保护等功能，使电源具有较好的可控性，且易升级、易维修。
采用DSP芯片对电源主电路实现了全数字控制，输出电压设置定点可调，提高了输出电压的精度和稳定度。控制算法通过软件编程实现使得***升级方便，也便于用户根据各自的需要灵活地选择不同的控制功能。
附图说明
图1为本发明的原理方框图。
图2为本发明的***时钟电路图。
图3为本发明的存储器接口电路图。
图4为本发明的DSP电源电路图。
图5为本发明的复位电路图。
图6为DSP程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括以下几个组成部分：功率主电路部分与基于DSP的控制电路。其中功率主电路包括：EMC保护单元1、整流滤波单元2、BUCK变换器3、移相全桥可控逆变器4、高频升压变换器5、倍压整流单元6、滤波器7。基于DSP的控制电路包括:DSP控制单元8、电压分压反馈取样单元9、DSP辅助电源及键盘/显示电路10。电源的输入为220V工频交流市电，经EMC保护单元1滤波防止电磁干扰，经整流滤波单元2滤波、整流滤波后得到大约300V左右的直流电，然后经BUCK变换器3进行调压得到一个平滑的直流电压，根据输出电压的要求，可以通过软件编程改变驱动开关管 PWM信号的占空比，以得到不同的输出电压。经过移相全桥可控逆变器4将电压逆变成一交流电压，变换器的核心部分采用LCC负载谐振移相式零电压全桥变换器，实现高频化，得到频率20kHz的交流信号，再经高频升压变换器5变为高频交流电压，然后通过倍压整流单元6整流，经滤波器7滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。DSP控制单元8根据电压分压反馈取样单元9取样的反馈电压计算移相全桥可控逆变器3的前后桥臂相位差来控制输出电压，DSP辅助电源9提供DSP控制电路的电源，键盘/显示电路10显示电压电流值。
整流滤波单元选用MT3516型三相桥堆进行整流，滤波电容选用容量4700PF、耐压为交流400V的安规电容。BUCK变换器选用IRFP460型的MOSFET作为BUCK电路的主开关管，这种MOSFET管具有驱动容易，没有二次击穿现象，热稳定性好，安全工作区大，开关速度块等一系列的优点。续流二极管选用肖特基二极管FR307，它反向恢复时间短，具有软恢复特性。移相全桥可控逆变器采用移相式全桥并联谐振结构，开关器件采用集成功率模块，谐振回路采用大电感和小电容串联谐振并联输出方式，其谐振频率小于开关频率。这种移相方式可以实现零电压开关、零电压零电流开关、和零电流开关三种软启动方式，有效的防止了电流对电网的冲击。高频升压变换器采用两个变压器，第一级隔离，第二级升压，高频升压变换器密封在油箱内，这样既分开了高压和低压，而且进行了有效的隔离，使得安装和使用既安全又可靠。第一级变压器的初级和次级线圈匝数与第二级变压器的初级线圈匝数一样。
所述的基于DSP的控制电路采用TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片为控制核心，电压分压反馈取样单元采用电压和电流双环反馈式来进行稳压控制，高压侧电压采用高压电阻分压器来进行采样，利用运放来进行阻抗匹配，然后利用线性光藕来隔离，最后信号通过分压滤波进入DSP的A/D转换。
其中DSP具体的工作电路连接方式如下：
1、***时钟电路：
如图2所示。采用封装好的晶体振荡器。将外部时钟源直接输人X2/CLKIN引脚，而将X1引脚悬空，只要将晶体振荡器的4脚接+5v, 2脚接地，就可以在3脚上获得时钟信号。对于两脚晶振所接的电容典型值为20-30pF。
2.存储器接口电路：
TMS320LF2407DSP中集成32K字的FLASH EEPROM和1.5K字的RAM，需要扩展外部RAM。从扩展的数据RAM中分出一块作为调试时的程序RAM。如图3示，CY7C1021为64K×16的SRAM，存取时间最小为lOns，故不需要***等待周期就可使***全速运行。CY7C1021的作用主要是用于F2407A的在线仿真，在线仿真时程序代码下载到CY7C1021。
3. DSP电源电路：
在设计DSP供电电源时，由于内核电源与端口电源的电压不同，需要两种电源供电，所以必须要考虑它们之间的配合问题。在上电过程中，如果内核先获得供电，周围没有得到供电，这时对芯片不会产生损坏，只是没有输入输出而已，但是如果周边I/0接口先得到供电，内核后得到供电，则有可能会导致DSP和***引脚同时作为输出端，此时如果双方输出的值是相反的，那么两输出端就会因反向驱动可能出现大电流，从而影响器件的寿命，甚至损坏器件。同样在掉电时，如果内核先掉电，也有可能出现大电流，因此一般要求CPU内核电源先于I/O电源上电，后于I/O电源掉电。但CPU内核电源与工/0电源供电时间相差不能太长(一般不能大于1秒，否则也会影响器件的寿命或损坏器件)，为保护DSP器件，
应在CPU内核电源与I/O电源之间还要加一肖特基二极管。具有上电次序控制的DSP电源
电路如图4。
4.电源监视电路和复位电路：
为保证DSP芯片在电源未达到要求的电平时，不会产生不受控制的状态，必须在***中加入电源监控和复位电路，由该电路确保在***加电过程中，在内核电压和***端口电压达到要求之前，DSP芯片始终处于复位状态，直到内核电压和***接口电压达到所要求的电平。同时如果电源电压一旦降到门限值以下，则强制芯片进入复位状态，确保***稳定工作。对于复位电路的设计，一方面应确保复位低电平时间足够长(一般需要20ms以上)，保证DSP可靠复位;另一方面应保证稳定性良好，防止DSP误复位。一般应保证复位输入端（RS)低电平至少持续6个时钟周期，即若时钟为20MHz时为300ns。但在上电后，***的晶振往往需要几百毫秒的稳定期，所以一般可设为100 ~300ms。设计时可将上电复位和手动复位两个信号经过逻辑相与，然后送到DSP的复位输入引脚，具体如图5所示。
图6所示为DSP程序流程图，由主程序和中断程序组成。其工作过程如下：***上电后开始进行初始化过程，初始化过程包括A/D口、PWM口等的初始设定。刚启动时，设定电压输出为零，并使电压显示为零。然后启动A/D，采样电压的设定值，此时可选择输出电压的等级。接着以软启动方式调节BUCK电路，此时PWM口的占空比以一定的速度缓慢变大。在显示电压的过程中，应有0. 5秒的延时和刷新。显示也是采用PWM口占空比的调节，利用滤波电路来实现D/A转换，将此信号直接供给专用电压显示模块。A/D中断频率为20kHz。这样整个主程序在等待A/D中断和显示处理之间来回循环。中断程序主要包括功率保护中断的响应，驱动信号相位差的产生，反馈电压的计算，串行通讯的实现以及其他一些辅助功能。当中断产生时，DSP根据各优先级先后中断并跳到相应中断子程序执行。
Claims (6)
1.一种DPS控制的高压直流电源模块，包括功率主电路与基于DSP的控制电路，其特征在于：所述的功率主电路包括：交流输入、EMC保护单元、整流滤波单元、BUCK变换器、移相全桥可控逆变器、高频升压变换器、倍压整流单元、滤波器，功率主电路的各个单元之间按输入/输出依次串接，交流输入电压经EMC保护单元滤波防止电磁干扰，再经整流滤波单元得到一直流电压，然后经BUCK变换器进行调压得到一个平滑的直流电压，经过移相全桥可控逆变器将电压逆变成一交流电压，再经高频升压变换器变为高频交流电压，然后通过倍压整流单元整流和滤波器滤波，得到需要的高质量、高品质的直流电压；
所述的控制电路包括：DSP控制单元、电压分压反馈取样单元、DSP辅助电源及键盘/显示电路，其中电压分压反馈取样单元的输入连接于DSP控制单元进行采样，键盘/显示电路通过串口与DSP控制单元相连，DSP控制单元根据电压分压反馈取样单元取样的反馈电压计算移相全桥可控逆变器的前后桥臂相位差来控制输出电压，DSP辅助电源提供DSP控制电路的电源，键盘/显示电路显示电压电流值。
2.根据权利要求1所述的一种DPS控制的高压直流电源模块，其特征在于：所述的整流滤波单元选用MT3516型三相桥堆进行整流，滤波电容选用容量4700PF、耐压为交流400V的安规电容。
3.根据权利要求1所述的一种DPS控制的高压直流电源模块，其特征在于：所述的BUCK变换器选用IRFP460型的MOSFET作为BUCK电路的主开关管，续流二极管选用反向恢复时间短，具有软恢复特性的肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述的一种DPS控制的高压直流电源模块，其特征在于：所述的移相全桥可控逆变器采用移相式全桥并联谐振结构，开关器件采用集成功率模块，谐振回路采用大电感和小电容串联谐振并联输出方式，其谐振频率小于开关频率。
5.根据权利要求1所述的一种DPS控制的高压直流电源模块，其特征在于：所述的高频升压变换器采用两个变压器，第一级隔离，第二级升压，高频升压变换器密封在油箱内，第一级变压器的初级和次级线圈匝数与第二级变压器的初级线圈匝数一样。
6.根据权利要求1所述的一种DPS控制的高压直流电源模块，其特征在于：所述的基于DSP的控制电路采用TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片为控制核心，电压分压反馈取样单元采用电压和电流双环反馈式来进行稳压控制，高压侧电压采用高压电阻分压器来进行采样，利用运放来进行阻抗匹配，然后利用线性光藕来隔离，最后信号通过分压滤波进入DSP的A/D转换。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130306 |