專利名稱：一種dps控制的高壓直流電源模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高壓直流電源模塊，特別是一種基于DSP控制的PWM型高壓直流電源模塊。
背景技術：
隨著電力電子技術及開關器件的發(fā)展，如新理論、新技術的指導，新器件、新材料的進步以及控制的智能化等等，開關電源技術已廣泛地應用于高壓直流電源技術中。利用開關電源技術產(chǎn)生比工頻高上千倍頻率的方波或正弦波可以大大減小高壓電源的體積和重量，這是高壓直流電源的重要發(fā)展趨勢。
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現(xiàn)有的電源廣泛采用TL494，UC3875等專用電源芯片來驅動開關管，特定的電源芯片本身不可編程，可控性較差，難以擴展，不易升級和維修，同時電源芯片為模擬型芯片，具有模擬電路難以克服的由溫漂和老化所引起的誤差，無法保證系統(tǒng)始終具有高精度和可靠性。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)在技術的缺點，本發(fā)明提供了一種可編程、可控性好、擴展容易、升級和維修方便、精度和可靠性高的DPS控制的高壓直流電源模塊。本發(fā)明的技術方案如下
一種DPS控制的高壓直流電源模塊，包括功率主電路與基于DSP的控制電路其中功率主電路包括交流輸入、EMC保護單元、整流濾波單元、BUCK變換器、移相全橋可控逆變器、高頻升壓變換器、倍壓整流單元、濾波器，功率主電路的各個單元之間按輸入/輸出依次串接，交流輸入電壓經(jīng)EMC保護單元濾波防止電磁干擾，再經(jīng)整流濾波單元得到一直流電壓，然后經(jīng)BUCK變換器進行調壓得到一個平滑的直流電壓，經(jīng)過移相全橋可控逆變器將電壓逆變成一交流電壓，再經(jīng)高頻升壓變換器變?yōu)楦哳l交流電壓，然后通過倍壓整流單元整流和濾波器濾波，得到需要的高質量、高品質的直流電壓；
基于DSP的控制電路包括DSP控制單元、電壓分壓反饋取樣單元、DSP輔助電源及鍵盤/顯示電路，其中電壓分壓反饋取樣單元的輸入連接于DSP控制單元進行采樣，鍵盤/顯示電路通過串口與DSP控制單元相連，DSP控制單元根據(jù)電壓分壓反饋取樣單元取樣的反饋電壓計算移相全橋可控逆變器的前后橋臂相位差來控制輸出電壓，DSP輔助電源提供DSP控制電路的電源，鍵盤/顯示電路顯示電壓電流值。作為優(yōu)選，所述的整流濾波單元選用MT3516型三相橋堆進行整流，濾波電容選用容量4700PF、耐壓為交流400V的安規(guī)電容。作為優(yōu)選，所述的BUCK變換器選用IRFP460型的MOSFET作為BUCK電路的主開關管，續(xù)流二極管選用反向恢復時間短，具有軟恢復特性的肖特基二極管。作為優(yōu)選，所述的移相全橋可控逆變器采用移相式全橋并聯(lián)諧振結構，開關器件采用集成功率模塊，諧振回路采用大電感和小電容串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出方式，其諧振頻率小于開關頻率。作為優(yōu)選，所述的高頻升壓變換器采用兩個變壓器，第一級隔離，第二級升壓，高頻升壓變換器密封在油箱內，第一級變壓器的初級和次級線圈匝數(shù)與第二級變壓器的初級線圈匝數(shù)一樣。作為優(yōu)選，所述的基于DSP的控制電路采用TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片為控制核心，電壓分壓反饋取樣單元采用電壓和電流雙環(huán)反饋式來進行穩(wěn)壓控制，高壓側電壓采用高壓電阻分壓器來進行采樣，利用運放來進行阻抗匹配，然后利用線性光藕來隔離，最后信號通過分壓濾波進入DSP的Α/D轉換。 本發(fā)明的有益效果是整個電源系統(tǒng)以DSP為控制核心，用單個芯片集中實現(xiàn)了移相全橋逆變技術、高壓直流電源的輸出電壓選擇和調節(jié)、整個系統(tǒng)的保護等功能，使電源具有較好的可控性，且易升級、易維修。采用DSP芯片對電源主電路實現(xiàn)了全數(shù)字控制，輸出電壓設置定點可調，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度?？刂扑惴ㄍㄟ^軟件編程實現(xiàn)使得系統(tǒng)升級方便，也便于用戶根據(jù)各自的需要靈活地選擇不同的控制功能。


圖I為本發(fā)明的原理方框圖。圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)時鐘電路圖。圖3為本發(fā)明的存儲器接口電路圖。圖4為本發(fā)明的DSP電源電路圖。圖5為本發(fā)明的復位電路圖。圖6為DSP程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。如圖I所示，本發(fā)明包括以下幾個組成部分功率主電路部分與基于DSP的控制電路。其中功率主電路包括=EMC保護單元I、整流濾波單元2、BUCK變換器3、移相全橋可控逆變器4、高頻升壓變換器5、倍壓整流單元6、濾波器7?；贒SP的控制電路包括DSP控制單元8、電壓分壓反饋取樣單元9、DSP輔助電源及鍵盤/顯示電路10。電源的輸入為220V工頻交流市電，經(jīng)EMC保護單元I濾波防止電磁干擾，經(jīng)整流濾波單元2濾波、整流濾波后得到大約300V左右的直流電，然后經(jīng)BUCK變換器3進行調壓得到一個平滑的直流電壓，根據(jù)輸出電壓的要求，可以通過軟件編程改變驅動開關管PWM信號的占空比，以得到不同的輸出電壓。經(jīng)過移相全橋可控逆變器4將電壓逆變成一交流電壓，變換器的核心部分采用LCC負載諧振移相式零電壓全橋變換器，實現(xiàn)高頻化，得到頻率20kHz的交流信號，再經(jīng)高頻升壓變換器5變?yōu)楦哳l交流電壓，然后通過倍壓整流單元6整流，經(jīng)濾波器7濾波得到需要的高質量、高品質的直流電壓。DSP控制單元8根據(jù)電壓分壓反饋取樣單元9取樣的反饋電壓計算移相全橋可控逆變器3的前后橋臂相位差來控制輸出電壓，DSP輔助電源9提供DSP控制電路的電源，鍵盤/顯示電路10顯示電壓電流值。整流濾波單元選用MT3516型三相橋堆進行整流，濾波電容選用容量4700PF、耐壓為交流400V的安規(guī)電容。BUCK變換器選用IRFP460型的MOSFET作為BUCK電路的主開關管，這種MOSFET管具有驅動容易，沒有二次擊穿現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好，安全工作區(qū)大，開關速度塊等一系列的優(yōu)點。續(xù)流二極管選用肖特基二極管FR307，它反向恢復時間短，具有軟恢復特性。移相全橋可控逆變器采用移相式全橋并聯(lián)諧振結構，開關器件采用集成功率模塊，諧振回路采用大電感和小電容 串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出方式，其諧振頻率小于開關頻率。這種移相方式可以實現(xiàn)零電壓開關、零電壓零電流開關、和零電流開關三種軟啟動方式，有效的防止了電流對電網(wǎng)的沖擊。高頻升壓變換器采用兩個變壓器，第一級隔離，第二級升壓，高頻升壓變換器密封在油箱內，這樣既分開了高壓和低壓，而且進行了有效的隔離，使得安裝和使用既安全又可靠。第一級變壓器的初級和次級線圈匝數(shù)與第二級變壓器的初級線圈匝數(shù)一樣。所述的基于DSP的控制電路采用TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片為控制核心，電壓分壓反饋取樣單元采用電壓和電流雙環(huán)反饋式來進行穩(wěn)壓控制，高壓側電壓采用高壓電阻分壓器來進行采樣，利用運放來進行阻抗匹配，然后利用線性光藕來隔離，最后信號通過分壓濾波進入DSP的Α/D轉換。其中DSP具體的工作電路連接方式如下
I、系統(tǒng)時鐘電路
如圖2所示。采用封裝好的晶體振蕩器。將外部時鐘源直接輸人X2/CLKIN引腳，而將Xl引腳懸空，只要將晶體振蕩器的4腳接+5v，2腳接地，就可以在3腳上獲得時鐘信號。對于兩腳晶振所接的電容典型值為20-30pF。2.存儲器接口電路
TMS320LF2407DSP中集成32K字的FLASH EEPROM和I. 5K字的RAM，需要擴展外部RAM。從擴展的數(shù)據(jù)RAM中分出一塊作為調試時的程序RAM。如圖3示，CY7C1021為64KX 16的SRAM，存取時間最小為10ns，故不需要插入等待周期就可使系統(tǒng)全速運行。CY7C1021的作用主要是用于F2407A的在線仿真，在線仿真時程序代碼下載到CY7C1021。3. DSP電源電路
在設計DSP供電電源時，由于內核電源與端口電源的電壓不同，需要兩種電源供電，所以必須要考慮它們之間的配合問題。在上電過程中，如果內核先獲得供電，周圍沒有得到供電，這時對芯片不會產(chǎn)生損壞，只是沒有輸入輸出而已，但是如果周邊I/O接口先得到供電，內核后得到供電，則有可能會導致DSP和外圍引腳同時作為輸出端，此時如果雙方輸出的值是相反的，那么兩輸出端就會因反向驅動可能出現(xiàn)大電流，從而影響器件的壽命，甚至損壞器件。同樣在掉電時，如果內核先掉電，也有可能出現(xiàn)大電流，因此一般要求CPU內核電源先于I/o電源上電，后于I/O電源掉電。但CPU內核電源與工/0電源供電時間相差不能太長(一般不能大于I秒，否則也會影響器件的壽命或損壞器件)，為保護DSP器件，應在CPU內核電源與I/O電源之間還要加一肖特基二極管。具有上電次序控制的DSP
電源
電路如圖4。4.電源監(jiān)視電路和復位電路
為保證DSP芯片在電源未達到要求的電平時，不會產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，必須在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控和復位電路，由該電路確保在系統(tǒng)加電過程中，在內核電壓和外圍端口電壓達到要求之前，DSP芯片始終處于復位狀態(tài)，直到內核電壓和外圍接口電壓達到所要求的電平。同時如果電源電壓一旦降到門限值以下，則強制芯片進入復位狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。對于復位電路的設計，一方面應確保復位低電平時間足夠長(一般需要20ms以上)，保證DSP可靠復位；另一方面應保證穩(wěn)定性良好，防止DSP誤復位。一般應保證復位輸入端(RS)低電平至少持續(xù)6個時鐘周期，即若時鐘為20MHz時為300ns。但在上電后，系統(tǒng)的晶振往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，所以一般可設為100 300ms。設計時可將上電復位和手動復位兩個信號經(jīng)過邏輯相與，然后送到DSP的復位輸入引腳，具體如圖5所示。圖6所示為DSP程序流程圖，由主程序和中斷程序組成。其工作過程如下系統(tǒng)上電后開始進行初始化過程，初始化過程包括Α/D 口、PWM 口等的初始設定。剛啟動時，設定電壓輸出為零，并使電壓顯示為零。然后啟動A/D，采樣電壓的設定值，此時可選擇輸出電壓的等級。接著以軟啟動方式調節(jié)BUCK電路，此時PWM 口的占空比以一定的速度緩慢變大。在顯示電壓的過程中，應有O. 5秒的延時和刷新。顯示也是采用PWM 口占空比的調節(jié)，利用濾波電路來實現(xiàn)D/Α轉換，將此信號直接供給專用電壓顯示模塊。Α/D中斷頻率為20kHz。這樣整個主程序在等待A/D中斷和顯示處理之間來回循環(huán)。中斷程序主要包括功率保護中斷的響應，驅動信號相位差的產(chǎn)生，反饋電壓的計算，串行通訊的實現(xiàn)以及其他一些輔助功·能。當中斷產(chǎn)生時，DSP根據(jù)各優(yōu)先級先后中斷并跳到相應中斷子程序執(zhí)行。
權利要求
1.一種DPS控制的高壓直流電源模塊，包括功率主電路與基于DSP的控制電路，其特征在于所述的功率主電路包括交流輸入、EMC保護單元、整流濾波單元、BUCK變換器、移相全橋可控逆變器、高頻升壓變換器、倍壓整流單元、濾波器，功率主電路的各個單元之間按輸入/輸出依次串接，交流輸入電壓經(jīng)EMC保護單元濾波防止電磁干擾，再經(jīng)整流濾波單元得到一直流電壓，然后經(jīng)BUCK變換器進行調壓得到一個平滑的直流電壓，經(jīng)過移相全橋可控逆變器將電壓逆變成一交流電壓，再經(jīng)高頻升壓變換器變?yōu)楦哳l交流電壓，然后通過倍壓整流單元整流和濾波器濾波，得到需要的高質量、高品質的直流電壓； 所述的控制電路包括DSP控制單元、電壓分壓反饋取樣單元、DSP輔助電源及鍵盤/顯示電路，其中電壓分壓反饋取樣單元的輸入連接于DSP控制單元進行采樣，鍵盤/顯示電路通過串口與DSP控制單元相連，DSP控制單元根據(jù)電壓分壓反饋取樣單元取樣的反饋電壓計算移相全橋可控逆變器的前后橋臂相位差來控制輸出電壓，DSP輔助電源提供DSP控制電路的電源，鍵盤/顯示電路顯示電壓電流值。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種DPS控制的高壓直流電源模塊，其特征在于所述的整流濾波單元選用MT3516型三相橋堆進行整流，濾波電容選用容量4700PF、耐壓為交流400V的安規(guī)電容。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種DPS控制的高壓直流電源模塊，其特征在于所述的BUCK變換器選用IRFP460型的MOSFET作為BUCK電路的主開關管，續(xù)流二極管選用反向恢復時間短，具有軟恢復特性的肖特基二極管。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種DPS控制的高壓直流電源模塊，其特征在于所述的移相全橋可控逆變器采用移相式全橋并聯(lián)諧振結構，開關器件采用集成功率模塊，諧振回路采用大電感和小電容串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出方式，其諧振頻率小于開關頻率。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種DPS控制的高壓直流電源模塊，其特征在于所述的高頻升壓變換器采用兩個變壓器，第一級隔離，第二級升壓，高頻升壓變換器密封在油箱內，第一級變壓器的初級和次級線圈匝數(shù)與第二級變壓器的初級線圈匝數(shù)一樣。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種DPS控制的高壓直流電源模塊，其特征在于所述的基于DSP的控制電路采用TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片為控制核心，電壓分壓反饋取樣單元采用電壓和電流雙環(huán)反饋式來進行穩(wěn)壓控制，高壓側電壓采用高壓電阻分壓器來進行采樣，利用運放來進行阻抗匹配，然后利用線性光藕來隔離，最后信號通過分壓濾波進入DSP的Α/D轉換。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種DPS控制的高壓直流電源模塊，它包括功率主電路與基于DSP的控制電路，功率主電路包括交流輸入、EMC保護單元、整流濾波單元、BUCK變換器、移相全橋可控逆變器、高頻升壓變換器、倍壓整流單元、濾波器，控制電路包括DSP控制單元、電壓分壓反饋取樣單元、DSP輔助電源及鍵盤/顯示電路。本發(fā)明以DSP為控制核心，使電源具有較好的可控性，且易升級、易維修。采用DSP芯片對電源主電路實現(xiàn)了全數(shù)字控制，輸出電壓設置定點可調，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。
文檔編號H02M5/458GK102957327SQ20111025387
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權日2011年8月31日
發(fā)明者黎福根, 王懷忠, 鄒子毅 申請人:湖南豐日電源電氣股份有限公司