CN108075659A - 一种基于氮化镓器件和dsp芯片的耐高温开关电源及其工作方法 - Google Patents

一种基于氮化镓器件和dsp芯片的耐高温开关电源及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源及其工作方法。本发明所述的耐高温开关电源包括由DSP芯片、GaN晶体管和开关电源buck电路构成闭环控制***，为单输入单输出的负反馈***，采用耐高温的DSP芯片作为控制芯片，以GaN场效应管作为开关，由耐高温的电感电容电阻组成的切比雪夫滤波电路，满足现有技术中对高温开关电源的要求。

Description

一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源及其工作 方法
技术领域
本发明涉及一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源及其工作方法，属于开关电源的技术领域。
背景技术
在过去的三十年中，硅功率开关器件逐渐由出现，发展到走入瓶颈，时至今日其各方面的性能已被尽数压榨出来。尽管有着均衡的参数以及广泛的应用范例，但在高温领域，特别是当温度高于175°时，硅功率开关器件已不能胜任。以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体器件，能应对200°以上的工作温度，且在诸多电气性能方面都优于传统的硅功率开关器件。
在测井领域，电子元件的工作温度常常高达上百摄氏度(通常都高于175°)。应用场景的变化对电路***提出了新的和更高的要求。首先，温度的变化首先会致使电阻、电感、电容等电子原件的参数有较大的变化，因此在常规的电路设计中，将元件视为定值元件的思想已经不再适用，每个元件的参数值是以温度为自变量的函数，对各个温度段的工况进行计算。其次，175°的工作温度已经超过大多数集成芯片的工作温度，加之要应对较高的输入电压，有源芯片已经不再适用，电路元件的选择仅限于耐高温的无源元件，选择范围非常有限。
中国专利授权公告号204497993U公开了一种用于智能钻井工具的开关电源电路，但是该开关电源电路是为了提高了输出直流电的稳定性，无法解决钻井领域开关电源电路所面临的高温问题；现有技术中也没有提高开关电源电路应对井下高温工作环境的方法或者装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源。
本发明还提供一种上述耐高温开关电源的工作方法。
本发明的技术方案为：
一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源，包括切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路、GaN晶体管、开关电源buck电路、和DSP芯片；
切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路与GaN晶体管的漏极连接；GaN晶体管的漏极通过开关电源buck电路接入DSP芯片的adc引脚；DSP芯片的pwm输出引脚与GaN晶体管的门极连接，实现对GaN晶体管开关时间的控制；DSP芯片、GaN晶体管和开关电源buck电路构成闭环控制***。
切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路滤除输入信号的高频部分，使输入到adc引脚的信号满足采样定理。在模拟滤波器的频率响应方面，切比雪夫滤波器可有效避免在截止频率附近衰减缓慢、椭圆函数滤波器通带波纹大的不足。
根据本发明优选的，所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的传递函数如下：
。切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的传递函数是在典型滤波电路拓扑的基础上，根据耐高温器件的参数值计算得到；
根据本发明优选的，所述GaN晶体管为TPH3202P；所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电容器为SXP37C334KAA；所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电感为IHLP4040DZER330M8A；所述DSP芯片为TMS320F28335。TPH3202P在175°时仍保持较好的开关特性，且漏极源极耐压值均高于140v。SXP37C334KAA的工作温度高于175°且耐压值高于140V；IHLP4040DZER330M8A的电感工作温度高于175°。
一种上述开关电源电路的工作方法，包括步骤如下：
1)输入信号输入切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路，切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路滤除输入信号的高频部分，使输入到adc引脚的信号满足采样定理；
2)输入信号通过切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路后通过GaN晶体管的漏极输入GaN晶体管；
3)pwm输出信号触发adc引脚的中断；
3.1)当中断来临时，DSP芯片内部的指令寄存器IR填入新的值，DSP芯片内的程序跳出主函数，执行adc中断函数；
3.2)adc中断函数对buck电路输出的信号进行数模转换得到数字信号；其中，buck电路的输入信号为切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的输出；
3.3)将所述数字信号与标准电压进行比较，得到偏差信号值；
3.4)将偏差信号值作为控制算法函数的输入，计算下一周期中pwm输出信号占空比的值；并存储在DSP芯片的pwm影子寄存器，作为下个周期pwm信号的输出；
4)pwm信号控制GaN晶体管的开闭，配合buck电路实现输出电压的调整；较低的pwm占空比使输出电压降低，较高的pwm占空比使输出电压提高，这里的“调整”的具体意义是根据算法调整占空比，配合buck电路从而实现输出电压的调节；
在一个周期内GaN晶体管一段时间开一段时间闭，周期的长度等于adc采样频率的倒数，开闭的时间长短取决于pwm占空比；
5)输出信号由GaN晶体管的漏极输出。
根据本发明优选的，所述步骤3.4)中，控制算法函数的设计方法为，将buck电路经过拉普拉斯变换得到s域的buck电路传递函数，实现对所述闭环***的初步建模；在已有伯德图的基础上添加移动零极点，得到控制函数；对所述控制函数经过拉普拉斯逆变换到时域，最后进行z变换，即得到控制算法函数。
根据本发明优选的，所述步骤3.3)中的标准电压的数字值计算公式如下：
其中，R1、R2为分压电阻，Vobject为目标电压。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述的耐高温开关电源,为单输入单输出的负反馈***，采用耐高温的DSP芯片作为控制芯片，以GaN场效应管作为开关，由耐高温的电感电容电阻组成的切比雪夫滤波电路，满足现有技术中对高温开关电源的要求。
附图说明
图1为本发明所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电路图；
图2为本发明所述开关电源buck电路；
图3为本发明所述闭环控制***的控制的流程示意图；
图4为本发明所述DSP芯片的主程序流程图；
图5为本发明所述闭环控制***的伯德图；
图6为切比雪夫滤波电路的频率响应图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1-3所示。
一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源，包括切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路、GaN晶体管、开关电源buck电路、和DSP芯片；
切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路与GaN晶体管的漏极连接；GaN晶体管的漏极通过开关电源buck电路接入DSP芯片的adc引脚；DSP芯片的pwm输出引脚与GaN晶体管的门极连接，实现对GaN晶体管开关时间的控制；DSP芯片、GaN晶体管和开关电源buck电路构成闭环控制***。
切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路滤除输入信号的高频部分，使输入到adc引脚的信号满足采样定理。在模拟滤波器的频率响应方面，切比雪夫滤波器可有效避免在截止频率附近衰减缓慢、椭圆函数滤波器通带波纹大的不足。
所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的传递函数如下：
。切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的传递函数是在典型滤波电路拓扑的基础上，根据耐高温器件的参数值计算得到；
根据本发明优选的，所述GaN晶体管为TPH3202P；所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电容器为SXP37C334KAA；所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电感为IHLP4040DZER330M8A；所述DSP芯片为TMS320F28335。TPH3202P在175°时仍保持较好的开关特性，且漏极源极耐压值均高于140v。SXP37C334KAA的工作温度高于175°且耐压值高于140V；IHLP4040DZER330M8A的电感工作温度高于175°。
本实施例的耐高温开关电源电路工作在175°的工作环境下，在输入电压140V-40V时仍能稳定的输出36v电压，由此可见本实施例的耐高温开关电源的耐高温性能。
实施例2
如图4-6所示。
一种如实施例1所述的开关电源电路的工作方法，包括步骤如下：
1)输入信号输入切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路，切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路滤除输入信号的高频部分，使输入到adc引脚的信号满足采样定理；
2)输入信号通过切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路后通过GaN晶体管的漏极输入GaN晶体管；
3)pwm输出信号触发adc引脚的中断；
3.1)当中断来临时，DSP芯片内部的指令寄存器IR填入新的值，DSP芯片内的程序跳出主函数，执行adc中断函数；
3.2)adc中断函数对buck电路输出的信号进行数模转换得到数字信号；其中，buck电路的输入信号为切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的输出，即图1、图2中的ChebyshevVo；
3.3)将所述数字信号与标准电压进行比较，得到偏差信号值；所述标准电压的数字值计算公式如下：
其中，R1、R2为分压电阻，VObject为目标电压。
3.4)将偏差信号值作为控制算法函数的输入，计算下一周期中pwm输出信号占空比的值；并存储在DSP芯片的pwm影子寄存器，作为下个周期pwm信号的输出；
4)pwm信号控制GaN晶体管的开闭，配合buck电路实现输出电压的调整；较低的pwm占空比使输出电压降低，较高的pwm占空比使输出电压提高，这里的“调整”的具体意义是根据算法调整占空比，配合buck电路从而实现输出电压的调节；
在一个周期内GaN晶体管一段时间开一段时间闭，周期的长度等于adc采样频率的倒数，开闭的时间长短取决于pwm占空比；
5)输出信号由GaN晶体管的漏极输出。
本实施例中adc采样频率设置为2.5MHz，由传递函数的频率响应可知，信号在10e05附近衰减到了截止频率以下，符合采样定理。角频率归一化后的频谱图如图5所示；
由伯德图图5首先可以看出本***为稳定的单输入单输出闭环控制***，有效避免了输入突变带来的不稳定因素，使***的输出始终维持在稳定的范围内，避免趋于无穷。
实施例3
如实施例2所述的开关电源电路的工作方法，进一步的，所述步骤3.4)中，控制算法函数的设计方法为，将buck电路经过拉普拉斯变换得到s域的buck电路传递函数，实现对所述闭环***的初步建模；借助matlab，在已有伯德图的基础上添加移动零极点，得到控制函数；对所述控制函数经过拉普拉斯逆变换到时域，最后进行z变换，即得到控制算法函数。

Claims (6)

1.一种基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源，其特征在于，包括切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路、GaN晶体管、开关电源buck电路、和DSP芯片；切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路与GaN晶体管的漏极连接；GaN晶体管的漏极通过开关电源buck电路接入DSP芯片的adc引脚；DSP芯片的pwm输出引脚与GaN晶体管的门极连接，实现对GaN晶体管开关时间的控制；DSP芯片、GaN晶体管和开关电源buck电路构成闭环控制***。
2.根据权利要求1所述的基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源，其特征在于，所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的传递函数如下：
<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>3</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>1.2248</mn> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>1.2277</mn> <mi>s</mi> <mo>-</mo> <mn>0.5222</mn> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
3.根据权利要求1所述的基于氮化镓器件和DSP芯片的耐高温开关电源，其特征在于，所述GaN晶体管为TPH3202P；所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电容器为SXP37C334KAA；所述切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的电感为IHLP4040DZER330M8A；所述DSP芯片为TMS320F28335。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述开关电源电路的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)输入信号输入切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路，切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路滤除输入信号的高频部分，使输入到adc引脚的信号满足采样定理；
2)输入信号通过切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路后通过GaN晶体管的漏极输入GaN晶体管；
3)pwm输出信号触发adc引脚的中断；
3.1)当中断来临时，DSP芯片内部的指令寄存器IR填入新的值，DSP芯片内的程序跳出主函数，执行adc中断函数；
3.2)adc中断函数对buck电路输出的信号进行数模转换得到数字信号；其中，buck电路的输入信号为切比雪夫II型输入抗混叠滤波电路的输出；
3.3)将所述数字信号与标准电压进行比较，得到偏差信号值；
3.4)将偏差信号值作为控制算法函数的输入，计算下一周期中pwm输出信号占空比的值；并存储在DSP芯片的pwm影子寄存器，作为下个周期pwm信号的输出；
4)pwm信号控制GaN晶体管的开闭，配合buck电路实现输出电压的调整；
5)输出信号由GaN晶体管的漏极输出。
5.根据权利要求4所述开关电源电路的工作方法，其特征在于，所述步骤3.4)中，控制算法函数的设计方法为，将buck电路经过拉普拉斯变换得到s域的buck电路传递函数，实现对所述闭环***的初步建模；在已有伯德图的基础上添加移动零极点，得到控制函数；对所述控制函数经过拉普拉斯逆变换到时域，最后进行z变换，即得到控制算法函数。
6.根据权利要求4所述开关电源电路的工作方法，其特征在于，所述步骤3.3)中的标准电压的数字值计算公式如下：
<mrow> <mn>4096</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>b</mi> <mi>j</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，R1、R2为分压电阻，VObject为目标电压。
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