基于DSP通讯全桥开关电源的研究与设计

摘要：针对传统开关电源中损耗较大，超调量较大，动态性能较差等问题，提出了基于DSP的全桥软开关技术。通过Matlab仿真结果表明模糊自适应PID控制算法比传统PID控制算法在超调量、调节时间、动态特性等性能上具有优越性。

关键词：DSP；全桥开关；功率因数；Matlab

0 引言

高频开关电源以其重量轻、体积小、高效节能、输出纹波小、容量大等优点，在通讯和低电压行业得到了广泛的应用，且逐步在电力系统中得到应用。尤其随着电信业的迅猛发展，电信网络总体规模不断扩大，网络结构日益复杂先进，作为通讯支撑系统的通讯用基础电源系统，市场需求逐年增加，其动力之源的重要性也日益突出。庞大的电信网络高效、安全、有序的正常运行，对通信电源系统的品质提出了越来越严格的要求，推动了通信电源向着高效率、高频化、模块化、数字化方向发展。近年来，由于软开关技术的不断发展与成熟，已逐步应用在开关电源中，尤其在中大功率的全桥变换器中应用最为广泛，这使电源转换效率得到提高。由于传统模拟控制电路结构复杂，一经设计完成其控制策略就不能改变等缺点的存在，数字式控制方式得到发展。并随着开关电源在通讯，监控等功能上的扩展，数字电源已逐步取代传统模拟电源。

1 系统框图

图1为软开关全桥变换开关电源拓扑。虚线框以内为控制电路，虚线框以上为主电路。主电路主要包括输入整流滤波、功率因数校正，全桥变换电路、高频变压器、输出滤波电路。控制电路主要由采样电路、控制和保护单元、监控单元等组成，并为了保证控制电路及相关电路正常工作还必须包括辅助电源。

本电源采用ZVS-PWM拓扑，单相220V交流输入，经过PFC模块后为直流400V，主功率管采用MOSFET管，控制部分由DSP控制电路，电压电流双闭环控制。输出采用全波整流并进行无源LC滤波。

2 主电路设计

针对48V／20A的通讯高频开关电源，其主电路采用移相式全桥变换器拓扑。移相全桥软开关控制器具有恒频软开关运行、移相控制实现方便、电流和电压应力小、巧妙应用寄生电容等优点。移相控制作为全桥变换器特有的一种控制方式，是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂的开关管的相位互差180°。然而对于全桥变换器来说，当只有对角的开关管同时导通时主变压器才输出功率。所以可以通过调节对角的两个开关管导通重叠角的宽度来进行稳压控制，而在功率器件环流期间，它又利用变压器的漏感以及功率半导体器件的结电容或者外加的附加电感电容的谐振来实现功率管的零电压或者零电流换流。

1)有源PFC设计

有源功率因数校正技术的基本思想是在整流电路与滤波电容之间加入DC／DC变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，使输入阻抗呈纯阻性，即通过控制开关元件，切换滤波电感和滤波电容充放电能量实现功率因数的提高。本设计中采用的是平均电流控制Boost功率因数校正电路，PFC控制芯片采用NCP1653。该PFC控制芯片的主要工作原理是同时控制输入电流与输出电压，而电流控制回路的命令是由整流后的线电压所决定，所以可以使转换器的输入阻抗呈现电阻性。

具体系统原理图如图2所示。

2)全桥变换器设计

全桥变换器电路如图3所示。该拓扑中MOS管采用IRFB20N50，流过的最大电流为20A，最大电压为500V。

3)驱动电路设计

驱动电路如图4所示。PWM输出与驱动芯片之间采用安华高公司生产的高速光藕HCPL一0710，它的速度可达到15M。驱动芯片采用国际整流器公司的IR2181，该芯片具有速度快，驱动电压高等特点，特别适用于驱动MOSFET、IGBT等器件。

4)主变压器的选择

高频变压器是DC／DC变换器的核心元件，其作用有三点：能量转换、电压变换和输入输出之间的隔离。变压器设计的好坏不仅影响变压器本身的发热和效率，同时也影响到开关电源的技术性能和可靠性。同时，许多其他主电路元件的参数设计都依赖于变压器的参数。因此，在主电路拓扑确定以后首先应该进行的是变压器的设计。其设计步骤为：a、变压器匝比的计算；b、变压器磁芯的选择；c、绕组匝数的计算；d、绕组导线规格的计算。

(1)匝比的计算

设定K为变压器原副边匝比，Udc(min)为输入电压的最小值，Dmax为副边最大占空比，Uo为输出直流电压，UD为输出整流二极管的通态压降，ULf为输出滤波电感Lf上的直流压降。考虑到移相控制方案存在副边占空比丢失现象，选择副边最大占空比为0．85，Uin(min)为PFC输出电压的最小值380V，假设输出整流二极管通态压降为1．5V，输出滤波电感上的直流压降为0．5V，