【应用】基于可替代TMS320F28035的国产DSP ADP32F035的3kW充电器LLC谐振变换器低成本方案
1. 项目概述
LLC谐振变换器因其具有高效、低电磁干扰、高功率密度等特性，而得到广泛应用。其功率范围可支持几百W到几十kW。LLC变换器属于变频控制，工作频率从几十kHz到几百kHz，适合数字控制。并且，数字控制LLC变换器可以更加灵活地控制输出电压、电流。在充电器产品应用中得到广泛应用。
设计了一台3kW充电器，输入电压为360~420V直流，输出250~550V。此外，电源要求具有恒压、恒流、恒功率三种工作模式，具备MODBUS通讯、遥控遥测、LED显示等功能。
2. 设计方案
该充电器要求多种工作模式多、控制复杂、接口也很多。同时，由于产品对成本较敏感，故采用了湖南进芯电子的国产DSP ADP32F035。ADP32F03x系列DSP具有丰富的片内资源，非常适合电源和电机控制，相关资源包括：PWM模块、12位ADC、SCI接口、比较器模块等，另外，还有高达64k的片内flash，10k的SARAM。工作主频为60MHz。可以作为TI的TMS320F2803x系列DSP TMS320F28035的Pin2Pin替代物料。
在本项目中，LLC谐振变换器谐振频率设计50kHz，最低频率40kHz，最高开关频率75kHz。在本项目中，DSP的资源分配如图 1所示：
图 1 系统控制框图
控制软件由主程序和一个中断组成。主循环主要处理
1) 温度转换：包含两个温度转换，一个DSP内部温度采样，由ADP32F03x的一个内部函数完成，一个外部NTC温度采样，需要查表转换。这两个温度转换程序，因为实时性要求不高，所以放在主循环里。
2) 延时类故障检测：如过压，过流，过温等故障，一般都要求延时动作，对实时性要求不高，所以放在主循环里。
3) 显示刷新：通过SPI口与显示OLED屏通讯。
4) SCI口通讯：由于MODBUS通讯协议是基于RS485接口的，是一种半双工通讯，并且每帧报文的长度不固定。因此，本电源作为下位机，采用了查询方式接收上位机指令并回复。
中断程序为AD转换完成中断，这是本控制程序的核心。当AD转换完成后，AD转换完成中断被触发，对AD采样的结果进行处理，包括控制模式选择，PID计算和PWM控制周期实时加载等操作。
在ADP32F03x的AD采样部分，有两个重要设置，一是配置AD转换触发方式，即SOC的配置方法。二是AD转换完成后，触发AD转换完成中断。
ADP32F03x系列32位DSP的AD采样触发采用SOC方式（SOC，Start of conversion），SOC是定义单个信道的单个转换的配置集。在该集合中有三种配置：启动转换的触发源、要转换的通道和采集（采样）窗口大小。
本项目中，AD的SOC由ePWM模块的SOCA信号触发。触发时机为PWM周期计数器值等于周期值，即CTR=PRD时，给出SOCA信号，去触发AD转换。如图 2所示。
图 2 PWM触发SOC
该SOC配置的优点在于，采样的时刻发生在PWM波高电平的中间时刻，也即是功率管开通和关断的中间时刻。该时刻，由于功率管开通已经完成，采样信号不会受到功率管开关的高频干扰，采样数值比较准确。
由PWM模块中的ET（Event-Trigger）模块控制SOC，可以选择在每次/两次/三次事件发生时触发SOC。在本项目中，采用了每次ET事件发生时触发SOC，即每个PWM周期都采样。也因此，每个PWM周期，都进行PID计算和加载PWM周期加载。
AD转换完成中断流程图如图 3所示：
图 3 AD转换完成中断
在该中断中，首先采集当前的输出电流、电压值并进行转换，再根据上位机指令，判断充电器现在所处工作模式。根据工作模式，计算反馈值与控制目标的误差，将误差带入PID计算，获得新的PWM周期值。
这里要注意的是，在ADP32F03x的PWM功能模块里，PWM周期值有两种加载方式，即立即加载和影子加载。立即加载顾名思义，就是执行语句同时，立刻更新了PWM波的周期。影子加载则是把PID计算值先装入影子寄存器，等到当前CTR=0时，再把影子寄存器内的数值，装入PWM模块的周期寄存器。当然，后一步是PWM模块自动完成，不需人为干预。
本项目中，采用了影子加载方式，这样，LLC的变压器可以完成一个完整周期，有利于保持正负半周的磁平衡。
3. 实验结果
采用ADP32F035搭建了LLC谐振变换器的控制器（如图4所示），并完成实验验证。
图4. 基于ADP32F035的LLC控制器
首先验证AD转换完成中断的运行时间。为此，在中断入口处，对某一个GPIO口分别置位复位，测量脉冲宽度，就知道中断完成时间。如图 5所示，中断执行时间约为4.4us。可见，及时在最高开关频率下，也可以在一个PWM周期内，完成PID计算和PWM周期加载。
图 5 AD转换完成中断执行时间
图 6和图 7分别为在额定输入电压，半载和满载条件下的电感电流和桥臂中点电压波形。可见，半载时，变换器工作在45.6kHz，满载时工作频率42.5kHz，与设计一致（为了提高测量的精度，波形里的光标读数是两个周期值）。
图 6 桥臂中点电压和电感电流波形 （半载）
图 7 桥臂中点电压和电感电流波形 （满载）
4. 结论
采用ADP32F035完成了3kW充电器的控制电路设计，并实验验证其可行性。实验表明，无论是硬件资源，还是运行速度，ADP32F03x系列DSP完全可以满足LLC谐振变换器控制器的需要。且该系列DSP芯片具有低功耗、高可靠性、成本低的优点，今后必然会得到广泛应用。
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