通信电源设备智能远程监控系统的研究与实现

1 前言

利用高性能的数字信号处理器(DSP)设计电源，不但能够减少电路的元器件，而且可以大大增加系统的可靠性和稳定性，克服电子设备长期受到供电不稳和大噪音的困扰，较传统的电源设计方式有着明显的优势。其主要优点如下：

⑴更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真、减少杂散信号的干扰;

⑵便于系统调试;

⑶方便实现远程遥感、遥测、遥调。

本文以利用芯片ADMC331设计DC-DC直流驱动电源为例介绍数字信号处理器(DSP)在电源产品设计上的应用。

2 芯片ADMC331的结构特点

ADMC331是美国模拟器件公司(ADI)推出的基于DSP技术的电机控制器，它将高性能DSP内核ADSP2171与丰富的外围控制线路集成于单片芯片中,大大简化了硬件设计,为用户快速、高效地开发控制器创造十分有利的条件。其主要特性如下：

⑴集成了一个26M IPS(每秒百万条指令)定点数字信号处理器内核，它与ADSP-2100数字信号处理器系列的代码完全兼容;

⑵单周期指令执行时间为38.5ns(外接13MHz晶振);

⑶内置2K×24位程序存储器ROM，2K×24位程序存储器RAM和1K×16位数据存储器RAM;

⑷具有一个三相16位基于中点的脉宽调制(PWM)发生器，能够灵活编程产生具有处理器开锁最小的高精度PWM信号;

⑸有2路8位辅助脉宽调制(AUXPWM)通道，频率可编程;⑹有七路Σ-▽型A/D变换通道，最高分辨率为12位，最大采样频率可达32.5KHz;

⑺具有24个可编程数字输入输出(PIO)口，可单独设置成输入或输出，支持状态变化中断;

⑻提供了2个双缓冲同步串行口(SPORT0，SPORT1)，用以完成串行通讯和多处理器间的通信;

⑼带有实时中断的16位看门狗定时器;

⑽内部程序存储器ROM固化了一些实用程序，方便系统的程序设计，减少了数字控制系统的程序计算时间。

3 利用ADMC331设计DC-DC直流驱动电源

DC-DC直流驱动电源系统由主电路和控制电路等部分组成，其框图如图1所示。

图1 DC-DC直流驱动电源系统结构框图

(1)主电路

DC-DC直流驱动电源系统的主电路如图2 所示。主电路采用功率MOSFET管构成的交错并联双管正激拓扑结构，M1，M2，D1，D2与副边拓扑构成1#双管正激变换器，M3，M4，D3，D4与副边拓扑构成2#双管正激变换器。工作时，2#变换器的控制脉冲相对于1#变换器移相了180°，双路变换器交替工作，向副边传输能量。通过二极管D1，D2或D3，D4向原边输入电源回馈能量，实现铁芯磁复位。交错并联双管正激变换器与单管正激变换器相比，电压应力小，功率管只承受电源电压，不需要另加磁复位电路;与全桥或半桥变换器相比，它不存在桥臂直通的危险;此外，交错并联结构使变换器热分布均匀，提高了可靠性。

图2 DC-DC直流驱动电源系统的主电路图

(2)DSP控制系统

DSP是控制电路的核心。控制系统由ADMC331、E2PROM及外围电路等构成最小DSP系统，完成控制、计算、保护等功能，可实现驱动直流电源真正意义上的全数字化控制。ADMC331提供PWM控制信号，经隔离后驱动功率MOSFET管工作。为了保证功率模块正常安全运行,采用一片GAL芯片对运行中系统电流、电压、异常故障等进行检测并作出反应，通过硬件方式直接封锁驱动信号的输出，提高了系统对故障响应的快速性和可靠性，同时保护信号也通过数字PIO口送入ADMC331，进行软件查询、处理和报警显示。另外，ADMC331外接一个存有程序执行指令的机器码的E2PROM，上电后通过串行口程序自行导入，并且采用MAX232芯片作为TTL与RS232的电平转换，以实现ADMC331与外界的通讯。

(3)驱动电路

驱动电路的好坏直接影响系统工作的可靠性和电气性能，对于功率MOSFET管采用如图3所示的驱动电路。变压器隔离，电路设计大为简化，抗干扰能力强，具有快速、高性能的特点。

图3 功率MOSFET驱动电路

4 仿真与试验

采用PSPICE软件对主电路进行仿真。电路仿真和实验参数为：输入电压Vin = 12V ，输出电压Vo = 100V，功率MOSFET管为IRFP064N (源、漏间导通电阻仅为0.008Ω) ,输出电感L=50μH ,输出电容C =4.7μF ,开关频率 f=50kHz,工作占空比d=0 .4,高频变压器初、次级匝比n =1∶10,输出电流Io=2A。

DC-DC直流驱动电源系统输出电压和输出电流的仿真波形示于图4。

图4 (a)DC-DC直流驱动电源系统输出电压的仿真波形

图4 (b)DC-DC直流驱动电源系统输出电流的仿真波形

通过对设计的样机进行严格测试，DC-DC直流驱动电源系统运行良好。

5 结语

数字信号处理器(DSP)在电源产品设计上的广泛应用，可以实现电源产品的高效、可靠及真正意义上的全数字化控制，提高控制电路的集成度和控制电路乃至整个系统的可靠性和可塑性。