基于DSP的自动气象站开关电源设计探析

卢淞岩，谭俊松，陈 兰，邹 红，青娉楚

（1.川东北强天气研究南充市重点实验室，四川南充 637000；
2.南充市气象局，四川南充 637000；
3.遂宁市气象局，四川遂宁 629000）

DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理），主要是利用计算机或者专用的处理设备，通过数字的形式实现信号采集、变换、滤波、识别等，得到能够满足实际需求的信号形式。数字信号处理可以看作是以数字形式来对信号进行表示和处理的技术，能够对连续模拟信号进行测量或者滤波。数字信号处理输出环节同样需要变换到模拟域，这种操作一般是通过数模转换器实现。在处理前，需要将信号从模拟域转换到数字域，其实现的核心设备是模数转换器。数据信号处理技术和相关设备都具有灵活精准的特点，抗干扰能力较强，造价低廉，而且速度相对较快，这些优势是传统的模拟信号处理技术和设备无法比拟的[1]。

DSP 的优点体现在几个方面：①能够简化器材的数量，减少其所占据的空间。②可以减少器材之间相互连接的接头和线材，也能够减少人为疏忽引发的接线错误。③器材的减少能够在很大程度上减少能源消耗。④软件本身有着巨大的开发潜力，整体功能强大。⑤定点计算。在实践中，多数DSP 采用的都是定点计算而不是浮点计算，虽然其对于数据的精准性有着较高的要求，浮点计算的实现也更加简单，但是定点设备的运行速度更快，而且成本也更加低廉。为了避免定点计算中出现数据精度不高的问题，DSP 处理器必须在硬件和指令集方面，支持饱和计算和移位；
⑥专门的寻址方式。DSP 处理器一般都支持专门寻址模式，对于常规信号的才做和处理非常有用，如模块寻址、位倒序寻址等，这些专门的寻址模式只能通过相应的软件才能实现[2]。

自动气象站是在某个区域内，依照实际需求建设的，能够自动完成多个要素探测，自动生成报文并定期发送到中心站的气象站，能够对空间区域上气象探测数据存在的空白进行弥补。自动气象站的主要结构包括了气象传感器、电源系统、全天候防护箱、通信模块以及微电脑气象数据采集仪等，可以对包含风速、风向、雨量等在内的10多个气象要素进行监测，其基本原理框图如图1所示。2021年，我国处于运行状态的自动气象站的数量为5.34万个，对比2017年下降了7.0%，分析原因，主要是随着《国家地面气象站布局优化方案》的颁布实施，气象局从将近6万个区域气象观测中，筛选出了8000多个站点，对国家地面气象观测站系统进行了补充，使得区域自动气象站点的数量有所下降。2019—2020年，我国区域自动气象站的数量稳定在5万～5.5万个。

图1 自动气象站原理

从解决传统气象站运行问题的角度，设计出了一种基于DSP 的开关电源，其能够很好地满足自动气象站运行中对于电能的需求。开关电源对自动气象站中设备进行控制的基本原理，是在对数据进行处理的同时，实现两种不同数字形式的对比分析，借助产生的脉冲宽度，实现电源模式驱动控制。在实际工作中，可以实现参数符号的数字化转换。可以通过对电源系统形式的整合，满足自动气象站中相关设备的运行控制需求，更能够随时对电源功耗进行监测，测量输出电流的大小。开关电源具备的电源自动切换和电池欠压保护等功能，可以保障气象站中设备的运行安全。

3.1 总体方案

电源本身包含了多个模块。①EMC 模块，其能够消除市电共模以及差模造成的干扰，确保开关引发的高频干扰不会进入到市电中，降低了对市电的负面影响；
②PFC 模块，可以在一定程度上提高电源的功率因数，有效减少无功功率；
③DC/DC 模块，主要负责电压转换工作，可以将电压转化为设备运行所需的电压；
④控制器模块，该模块可以对电压和电流信息进行采集，也能够对直流电压进行控制，保证电压输出的稳定性，可以将电源状态反馈给主机，真正意义上实现自动化智能化控制；
⑤驱动电路模块，DSP 输出的是PWM 波，其本身无法直接驱动MOSFET，因此需要借助驱动电路的转换功能，转化为相对更大的驱动力。开关电源的架构如图2所示。

图2 开关电源结构

3.2 细节设计

3.2.1 EMI模块设计

数字化的开关电源有着非常明显的优势，不过同样存在一定的问题，即必须考虑电磁兼容对系统运行可靠性的影响。开关电源设计中，电磁兼容问题非常关键，一般情况下，想要解决这个问题，会设置相应的滤波器（图2）。电路中，共模电感对于差模干扰无法起到防范作用，不过在出现共模干扰时，线圈本身相同的磁通方向使得耦合后的电感迅速增加，会对共模信号产生感抗，使得其无法顺利通过。共轭电感的两个线圈分别缠绕在铁氧体磁环上，电流通过时线圈上会产生较强的磁场，而在闭合磁环中，相反的磁场会出现相互抵消的情况。

3.2.2 PFC模块设计

在理论上，任意DC/DC 变换器都可以作为PFC电路的拓扑结构，不过在实践中，PFC 电路最为常用的结构是Boost 型变换器，这种变换器的开关器件承受的压差小于输出电压，电感元件的存在降低了电网对主电路产生的瞬时冲击，而且有着很强的电磁兼容性和较低的电磁干扰，相对加高的输出电压可以为后级电路的处理提供便利。

在Boost 电路拓扑结构中，假定所有的元件都采用了理论上的最佳器件，功率开关管导通后，电流会先后经过电感和功率管，但是不经过二极管，电感线圈达到饱和之前，电流会处于持续增长的状态，电能也会被转化为磁能，存储在电感线圈中。功率开关管再次导通过后，电感重复充电，已经充电完成的电容和负载则构成回路，由电容向负载提供电源支持。

3.2.3 DC/DC模块设计

在对DC/DC 模块进行设计时，在原本模块的基础上，加入了二极管形成拓扑结构。副边二极管所具备的方向恢复特性使得寄生电容发生振荡时，会经过绕组的传递作用，将副边电压映射到原边，然后二极管得到导通，能够有效抑制副边二极管存在的振荡问题和电压尖峰问题。而在整个过程中，两个二极管都只发生了一次导通，可以有效减小电流的损耗。

3.2.4 驱动电路设计

DSP 输出的PWM 波不管是功率还是电压等级，都无法实现对于MOSFET 的直接驱动，需要借助驱动电路对PWM 进行控制。需要注意的是，如果没有对相应的电气隔离措施进行设置，直接经由驱动电路来对功率器件进行驱动，则容易出现控制芯片被干扰的情况，影响其正常运转，严重时甚至可能导致反馈电压损坏。从设计人员的角度，需要切实做好驱动隔离电路的设计工作，以此来提高系统运行的稳定性和安全性。

在针对MOSFET 电路进行设计时，需要将各方面的影响因素考虑在内，如驱动电流、驱动电压、开关速率、抗干扰性等。目前，比较常见的驱动MOSFET 管的方式有直接驱动、脉冲变压器隔离驱动、光耦隔离驱动以及集成驱动器驱动等，这里采用的是光耦隔离配合集成驱动器驱动的方式。开关电源设计开关频率控制在100 kHz，周期在13.2 μs，对于光耦合期间的传输速率有着很高的要求。在驱动芯片选择中，采用的是IR2110经典型驱动芯片，配合HVIC 以及门锁抗干扰工艺，低端输入通道和高端输入通道相互独立。以自举电路作为悬浮电源，高端输入通道部分的工作电压最高可以达到500 V，15 V 运行状态下，电路的总体功耗只有116 mW。电源端输出电压在15～20 V，逻辑电源电压在5～15 V 左右，要求其必须能够实现与CMOS 以及TTL 电平的有效匹配。考虑干扰因素的存在，逻辑电源区域和功率区域之间的最大允许偏差量为5 V，工作频率最高可以达到500 kHz。在这种情况下，开关电源的开通延迟仅为120 ns，关断延迟为94 ns。结合相关试验，上述驱动方案下，电气特性可以很好地满足相关设计指标，对于不同功率MOSFET 的驱动需要，因此在实践中们可以使用同一个驱动电路来对所有的进行驱动。

3.3 软件系统设计

主程序设计中，需要切实做好系统初始化以及开机自检工作，对一些关键数据进行处理，同时也不能忽视中断等待等相关内容。实践中，系统初始化包含的内容有很多，如变量的初始化、事件管理器的初始化、时钟的初始化以及AD 初始化等。在对系统进行初始化的过程中，需要做好输入电压取值范围的准确判断，要求其必须能够处于正常的区间内。在完成初始化操作后，可以进行开机自检。系统本身设置有两个不同的数字控制核心，可以分别实现对于前后两级功率转换电路的有效控制，自检环节要求两个电路能够实现相互协调。如果在系统开机环节，出现了APFC 异常的情况，则可能导致后级DC/DC 电路损坏等问题。两个数字控制芯片可以采用主从工作的方式，其中，选择TMS320F28027芯片作为从控制器，设置在前级APFC 电路中，选择TMS320F2812芯片作为主控制器，设置在后级DC/DC 电路中，不同的控制核心需要采用不同的自检程序。在启动环节，需要保证启动顺序正确，先启动功率因数校正电路，然后启动移相全桥变换器。在对功率转换电路进行正式启动前，要求主控芯片能够对前级功率因数校正电路是否得到了正确启动进行确认，之后才能对移相全桥变换器进行启动。

3.4 系统调试

在完成系统设计后，为了保证其可行性和可靠性，还需要根据实际需求，对系统进行调整。在系统主电路中，必须做好相关元件参数的合理设置：输入电压220 V，交流电；
频率50 Hz；
升压电感1.2 mH；
输出滤波电容2400 μF；
负载100 Ω。

仿真参数运算中，使用的算法是可变步长ode25 tb，最大步长为1×10-6，参数的相对精度可以达到1×10-3。

对照输入电压与电流波形可以明确，电流波形可以实现对于电压波形的有效跟踪，两者的相位差极小，基本能够实现对于功率因数的有效校正。对照输出电压波形分析，在启动阶段，电压的超调量很小，可以在相对较短的时间内，达到稳定的电压输出。这表明在功率因数校正电路中，控制器发挥了非常有效的控制效果，达到了预期的目标要求。

自动气象站能够实现对于一定区域内气象信息的精准采集，也可以解决无人值守问题，但是，自动气象站在实际运行中仍然存在不稳定的问题。对此，在自动气象站带开关电源设计中，可引入DSP 技术，通过相应的软件完成控制算法，使得在实际应用中能够依照不同的环境参数，通过改变控制算法和控制策略的方式，提高自动气象站电源控制的效率和精度，保障自动气象站的稳定可靠运行。

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