試論數(shù)字化控制開(kāi)關(guān)電源技術(shù)

張雅麗

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用。所謂電源的數(shù)字控制，是指控制器能在數(shù)字域執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。

開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：第一種是通過(guò)高性能數(shù)字芯片如DSP對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號(hào)采樣AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作。由于輸出的數(shù)字PWM信號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，需通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。第二種是單片機(jī)通過(guò)外接A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，采樣后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)電源間接控制。控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復(fù)雜；單片經(jīng)過(guò)A／D和D／A轉(zhuǎn)換，有比較大的時(shí)延，勢(shì)必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。

一、基于數(shù)字信號(hào)處理的開(kāi)關(guān)電源

利用高性能的DSP數(shù)字芯片對(duì)電源直接控制，簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)。這些芯片有較高的采樣速度和運(yùn)算速度，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，對(duì)電源的控制有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。因此，這種方法將會(huì)在今后開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制技術(shù)中發(fā)揮重要作用。

二、基于單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的進(jìn)一步提高，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。利用單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)方案容易掌握，而且單片機(jī)的要求不高，成本較低。通過(guò)外接A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，采樣后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的間接控制。

數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)電源不可避免地存在以下問(wèn)題：AD轉(zhuǎn)換器的速度和精度成反比。為了保證開(kāi)關(guān)電源有較高的穩(wěn)壓精度，AD轉(zhuǎn)換器必須有比較高精度的采樣，但高精度的采樣需要的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間更長(zhǎng)。作為反饋環(huán)路的一部分，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲以后，轉(zhuǎn)換過(guò)程的延遲時(shí)間必然也會(huì)造成額外相位滯后，使回路的響應(yīng)能力變差。模擬芯片用RC補(bǔ)償進(jìn)行PI調(diào)節(jié)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調(diào)節(jié)的方法以提高控制回路的響應(yīng)能力。這種做法需要占有數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因?yàn)閿?shù)字控制和模擬控制不同，信號(hào)采樣是離散的，兩次采樣之間有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無(wú)法得到的。要實(shí)現(xiàn)精確的控制，每次采樣之間的時(shí)間間隔不能太長(zhǎng)，即采樣頻率不能太低。作為數(shù)字芯片，每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，得到的結(jié)果都會(huì)被送到系統(tǒng)的中央運(yùn)算處理器中，然后由處理器對(duì)采樣的值進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)。在采樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法比較耗費(fèi)系統(tǒng)資源，對(duì)數(shù)字芯片的要求也比較高。由于目前專(zhuān)門(mén)用于電源控制的數(shù)字芯片還比較少，在要求比較高的場(chǎng)合一般都會(huì)用DSP芯片，其運(yùn)算和采樣速度快，功能強(qiáng)大，但價(jià)格比較高。而且，DSP芯片不是專(zhuān)門(mén)的電源控制芯片，一般的電源應(yīng)用對(duì)其芯片資源的利用率不高。

隨著數(shù)字芯片和電源技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了為電源控制而開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制處理器。它不同于數(shù)字芯片的中央處理器，控制處理器主要由高速AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字PID補(bǔ)償器和數(shù)字PWM輸出三部分組成。反饋環(huán)路的控制由它來(lái)完成，中央處理器作為管理模塊應(yīng)用在電源上。

控制處理器由高速A／D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字PID補(bǔ)償器和數(shù)字DPWM輸出組成。外部存儲(chǔ)器記錄了控制處理器的相關(guān)程序。高速A／D轉(zhuǎn)換器是基于CMOS的傳輸延遲時(shí)間td影響輸入電壓VDD的原理做成的，VDD電壓和傳輸時(shí)間是成近似的反比例關(guān)系，即VDD越大，信號(hào)傳輸延遲時(shí)間越小。

采用新的技術(shù)，大大降低了AD轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間，可以達(dá)到MHz級(jí)采樣頻率。高采樣頻率可以使DPWM的信號(hào)的更新速度達(dá)到幾百納秒一次，實(shí)現(xiàn)和模擬控制，通過(guò)不斷更新PWM信號(hào)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。DPWM時(shí)鐘由處理器系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)鎖相邏輯環(huán)路（PLL）進(jìn)行倍頻后，頻率可以達(dá)到200MHz。通過(guò)這種分辨率高達(dá)5ns的DPWM控制信號(hào)，電源開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到1MHz。數(shù)字補(bǔ)償器為電源設(shè)計(jì)提供很大的靈活性，控制參數(shù)通過(guò)外部存儲(chǔ)器的程序來(lái)設(shè)定，可以通過(guò)編程來(lái)改變控制策略，調(diào)試更方便。由于芯片是專(zhuān)門(mén)為電源設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。這種專(zhuān)門(mén)為電源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的控制處理器將會(huì)得到廣泛使用。

（作者單位：山東省濟(jì)寧技術(shù)學(xué)院）