基于DSP的智能电源系统设计

　　摘要： 介绍了一种基于DSP 的智能电源管理系统设计和实现方案。本系统以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 为控制核心，主要由信号采集模块，电路调理模块，DSP 处理模块，显示模块，键盘模块，DC-DC 并联供电模块和辅助供电模块等组成。设计采用BUCK 降压变换电路实现DC /DC 变换，设计和制作了高效率的两路DC-DC 变换器并联供电，此并联供电系统能够将36 V 直流电压转化为12V 直流电压，允许电流达到20 A 长时间工作，并且两个并联开关电源模块的电流可按照默认分流比例分流和控制分配比例分流两种模式工作。另外系统进行了抗干扰设计，使其具有较好的抗干扰能力，保证系统可靠工作。

　　0 引言

　　随着社会和经济的发展，对电源的质量和可靠性要求越来越高，在很多关键的应用场合，比如说地铁站、医院等电源供应不能有丝毫的差错，否则会带来严重的、甚至是灾难性的后果。所以在很多关键的地方，都设有备用电源或双路电源并联供电，如UPS（ 不间断电源系统） 。双路电源并联供电的优点主要有两个： ① 扩充容量，实现大功率电源系统，② 通过冗余实现容错功能，即当某电源模块失效时，系统还可以提供负载功率，实现电源系统的不间断供电。

　　但是，传统的双路电源并联供电方式有其自身的局限性，比如： ① 灵活性差，在双路电源都在线工作时不能实现工作电流的独立控制； ② 不能有效实现节能，例如在野外，太阳能和风能资源非常丰富，我们完全可以以这种绿色能源为主，其他供电方式为辅，为一些在野外工作的关键设备供电。但是有时太阳能和风能产生的电力不足以维持设备的正常运行，如果用电池储存，电池容量有限，完全舍弃不用，直接采用备用电源又有些可惜。基于此设计并实现了一种新型供电系统。实现并联电源的电流可按照默认分流比例分流或控制分配比例分流两种模式工作［3］。这样就避免了上述存在的问题，下面以一双通道直流电源为例介绍其实现原理和方法。

　　1 方案设计与论证

　　设计一个安全可靠、低成本、输出功率为200 W的12 V 直流并联供电系统应用于野外现场。系统能满足当负载改变时，输出电压基本不变。并联供电系统输出电流可按照一定比例自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%.具体要求如下： ① 负载改变时，保持输出电压不变，使负载电流Iout在10 ~ 20 A 之间变化时，两个模块的输出电流可在5 ~ 15 A 范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%.② 额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。③ 具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为20A（ ± 0. 2 A 的偏差） ，系统总体组成框图如图1 所示。

　　1. 1 核心处理器方案选择

　　DSP 具有运算速度快、支持浮点运算、测量精度高、抗干扰能力强的优点。DSP 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，可以同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP 器件具有高速的数据运算能力。DSP（ TM320LF2407A） 自带的几路12 位A/D 转换能够实现设计要求的精度，DSP 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。另外该DSP 器件还具有高速、同步串口和标准异步串口。基于以上原因我们采用以DSP（ TM320LF2407A） 为核心的控制器。

　　1. 2 主电路DC-DC 变换器选择

　　采用BUCK 变换电路，此电路体积小，电路相对于单端反激变换电路更加简单，效率相对于单端反激变换电路会更高，少了很多可以增加损耗的地方而且不用绕制变压器，减少了损耗与变压器噪声等问题，故选择此方案。

　　1. 3 开关管的选择

　　选择场效应管IR2125 作为开关管，此管子导通压降低且导通电阻仅有几十毫欧，损耗相对于IGBT 作为开关管的方案要小很多，因此我们选择此方案。

　　1. 4 控制策略选择

　　本设计采用电压、电流双闭环PI 调节的方式控制输出电压，并使其开关电源并联供电能够按照预设比例进行分流。我们用小电阻采集两个开关电源各自的电流信号和总体的输出电压信号，经过信号的调理传送给DSP，采用PI 调节电流控制的方式进行分流调控，达到稳定输出电压分配输出电流的效果。

　　2 理论分析与电路实现

　　2. 1 理论分析与计算

　　系统需要检测的电压是BUCK 变换器输出的12. 0± 0. 4 V 电压，BUCK 变换器电路原理图如图2 所示。

　　根据图2 所示的BUCK 电路，可得到如下公式：

　　令τid = 2. 63 × 10 - 3，消除大惯性环节，可得到电流环的开环传递函数：