數(shù)字化控制電路在高頻開關(guān)電源設(shè)計中的應(yīng)用

樊 峰

（樊氏科技發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引 言

我國信息化技術(shù)不斷發(fā)展，自動化產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。電源是維護(hù)整個系統(tǒng)正常運行的核心環(huán)節(jié)，需要具備較高的穩(wěn)定性、可靠性以及安全性，且應(yīng)具有一定的可檢測性。其中，數(shù)字化電源與傳統(tǒng)電源相比具有優(yōu)勢，如控制設(shè)計相對靈活，可更好地提升DC/DC變換器性能，有效改變電路瞬間響應(yīng)，提升其可靠性和精確性。

1 開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源主要是指在電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)下的電源。運行過程中，它需要具備開關(guān)、高頻以及直流條件。其中，開關(guān)主要是指電力電氣器件工作在線性狀態(tài)，高頻主要是指電力電子器件工作中在高頻狀態(tài)，直流的電源輸出以直流為主[1]。在開關(guān)電源開啟的過程中，將電路中的交流電源轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后根據(jù)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流方波脈沖電壓。其中，逆變器在輸出過程中需要通過爆破變壓器隔離轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鬏敵鲭妷骸?/p>

2 數(shù)字化控制電路優(yōu)勢

2.1 可靠性

數(shù)字控制器與傳統(tǒng)模擬控制器相比具有較高的可靠性，其中數(shù)字控制器中模擬元器件使用相對較少，所以可以有效增加系統(tǒng)中平均無故障工作時間，如有數(shù)字控制器構(gòu)成的反饋環(huán)路中省去了補償網(wǎng)絡(luò)。其中，數(shù)字信號處理器與模擬器相比，工作環(huán)境影響因素相對較小，且具有較高的抗干擾能力，在使用過程中不易老化。此外，數(shù)字控制器能夠通過預(yù)警、監(jiān)視等功能提升系統(tǒng)工作可靠性。比如，能夠通過有效監(jiān)視系統(tǒng)溫控全面降低電流限制值，或者通過打開風(fēng)扇的方式有效降低對風(fēng)扇、電源器的壓力，提升系統(tǒng)可靠性，消除對器件規(guī)格的額外要求。

2.2 靈活性

數(shù)字控制器不但具有較高的穩(wěn)定性，而且具備靈活性。傳統(tǒng)模擬控制器主要是對元件參數(shù)值進(jìn)行有效調(diào)節(jié)與改變來實現(xiàn)其控制規(guī)律，會浪費一定的資源，且周期設(shè)計相對較長。數(shù)字控制器主要是根據(jù)軟件編程進(jìn)行控制規(guī)律的修改，還能夠根據(jù)分句仿真驗證，提高設(shè)計工作的靈活性。若電源性能發(fā)生了改變，在對模擬控制器進(jìn)行修改的過程中，需要對電路、布線以及刻板等實施重新設(shè)計；在對數(shù)字控制器進(jìn)行修改的過程中，能夠通過編程增加、刪除以及修改控制參數(shù)，以大大縮減設(shè)計周期[2]。比如，能夠在不對硬件進(jìn)行修改的情況下，對同一個電壓調(diào)節(jié)器模型實施有效編程，以滿足不同處理器的規(guī)格需求。此外，數(shù)字控制器還能集成通信功能，所以可有效實現(xiàn)不同系統(tǒng)的繼承和級聯(lián)。

2.3 兼容性與集成性

數(shù)字控制器能夠與其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行有效連接，且具有兼容優(yōu)勢。在較多產(chǎn)品中，一些數(shù)字設(shè)備中開關(guān)電源的使用要求越來越高，如節(jié)約功耗、運行模式以多級輸出等。所以，為了確保提升系統(tǒng)的整體性能，需要電源接受數(shù)字設(shè)備的統(tǒng)一管理，其中質(zhì)量輕和體積小是便攜設(shè)備較為重要的需求。此外，數(shù)字控制器消除了難于集成的模擬器件，更易使電源控制部分面積最小化，且可與電源的功率級以及設(shè)備其他部分共同集成一個芯片，以實現(xiàn)片上系統(tǒng)。

3 開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)

開關(guān)電源的使用年限主要是由模塊內(nèi)部的溫度決定，其中溫升高度由模塊運行效率大小決定。目前，我國市場中所使用的開關(guān)電源一般將脈寬調(diào)制技術(shù)作為主要技術(shù)，其英文縮寫為PWM。其中，硬PWM控制型開關(guān)電源在使用過程中存在一定的缺陷，在提高工作頻率的過程中會影響器件質(zhì)量以及尺寸，在高頻率環(huán)境中還會大大增加開關(guān)損耗。所以，一般情況下將工作頻率限制在一定范圍內(nèi)。此外，PWM型開關(guān)電源運行損耗主要是開關(guān)過程以及導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗。然而，開通損耗主要是儲存在新載開關(guān)中的寄生電容能量的突變引起的[3]。開關(guān)管關(guān)斷過程中，會使漏感中的電壓出現(xiàn)尖峰值。需要注意，尖峰值是由電壓隨產(chǎn)生的。為了確保有效控制開關(guān)器件的應(yīng)力，需要使用緩沖電路，而緩沖電路也會在較大程度上出現(xiàn)能量損耗。

4 高頻開關(guān)電源數(shù)字控制器

4.1 數(shù)字補償器設(shè)計

數(shù)字補償器的設(shè)計方法主要分為直接數(shù)字設(shè)計方法和間接數(shù)字設(shè)計方法。在間接數(shù)字設(shè)計過程中，需構(gòu)建電源模型，并在相關(guān)區(qū)域設(shè)置連續(xù)模型，再對其進(jìn)行有效的離散化，之后設(shè)計Z區(qū)域中的離散模型。在進(jìn)行直接數(shù)字設(shè)計的過程中，在Z區(qū)域中進(jìn)行數(shù)字控制器中的離散模型的全面設(shè)計。此外，在此轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生多種離散化方法，在Z區(qū)域中進(jìn)行離散模型設(shè)計有較多種直接數(shù)字設(shè)計方法。由于不同方法會產(chǎn)生不同形式的控制器模型，使控制器模型的控制性能也有較大差異性，因此數(shù)字補償器設(shè)計方法需要根據(jù)實際情況進(jìn)行針對性設(shè)計。

4.2 控制策略和控制算法

4.2.1 數(shù)字控制策略

在模擬控制過程中，需要在動態(tài)響應(yīng)性能要求的基礎(chǔ)上采用有效的控制策略，主要有雙環(huán)電流型控制、單環(huán)電壓型控制以及V2型控制等。此外，在數(shù)字控制期間，需要在模型轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上有效轉(zhuǎn)變檢測量，以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再根據(jù)一定的控制算法實施有效的調(diào)節(jié)規(guī)律。所以，在模擬控制過程中使用的控制算法在數(shù)字控制期間依然能夠有效應(yīng)用。其中，電壓型數(shù)字控制器只需通過ADC檢測輸出電壓一個變量，并進(jìn)行控制環(huán)節(jié)的有效設(shè)計。所以，分析設(shè)計過程相對簡潔，可有效實現(xiàn)數(shù)字控制器，是該領(lǐng)域研究最早的高頻開關(guān)電源數(shù)字控制器。在電流型數(shù)字控制器中需要使用較多的ADC，且控制算法和控制環(huán)路相對繁雜，為了實現(xiàn)在高頻開關(guān)電源中較好地應(yīng)用數(shù)字控制器，需要優(yōu)化性能，全面提高其速度。

4.2.2 數(shù)字控制算法

所有控制方法均需要控制算法提升其控制規(guī)律。比如，在模擬電壓型控制過程中，一般主要是設(shè)置放大器電阻和電容值，以有效控制補償器。由于在對數(shù)字控制規(guī)律進(jìn)行設(shè)計的過程中需要借鑒模擬控制經(jīng)驗來完成，因此PID算法在數(shù)字控制中具有較為廣泛的應(yīng)用效果，甚至處于主導(dǎo)地位。此外，在主流ADC架構(gòu)中，有逐次逼近寄存式、閃速式等。不同構(gòu)建在電路復(fù)雜性和轉(zhuǎn)換速度方面具有各自的優(yōu)缺點。其中，閃速構(gòu)建主要是比較器以一定的分辨率對模擬信號實施測量。閃速式架構(gòu)速度相對較快，主要是因轉(zhuǎn)換過程可在一個周期內(nèi)完成，但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要使用較多比較器，具體見圖1。

圖1 閃速式架構(gòu)

逐次逼近寄存式構(gòu)架主要是使用比較器在不同周期內(nèi)逐位完成轉(zhuǎn)換過程，其中只需一個比較器與n位數(shù)模擬轉(zhuǎn)換器DAC，但需n個比較周期才能達(dá)到n位分辨率，轉(zhuǎn)換過程較長，且在反饋環(huán)路中引入了較大的相位延遲。

4.3 基于計算器的DPWM

DPWM主要是通過快速計算器對鋸齒波直接進(jìn)行有效的數(shù)字模擬，以實現(xiàn)鋸齒波規(guī)律周期變化的數(shù)字編碼。此外，在不同周期開始階段，功率開關(guān)導(dǎo)通，每經(jīng)過一個時鐘周期，計算器加1。比較器在檢測過程中檢測到計算器輸出與d相同時，DPWM輸出翻轉(zhuǎn)，切斷功率開關(guān)，以此達(dá)到對時間分格選取的目的。

5 高頻開關(guān)電路小信號模型的建立

目前，狀態(tài)空間平均法在我國一些變換器建模中有較為廣泛的應(yīng)用，如AC/DC變換器和DC/DC變換器。其中，狀態(tài)空間平均法主要是指變換器在運行過程中以不同拓?fù)錉顟B(tài)空間方程為基礎(chǔ)進(jìn)行不同層次處理，由此得到信號較小特性的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行短路模型的有效構(gòu)建。該短路模型在使用過程中具有較大的應(yīng)用價值。此外，移相全橋變換器主要是通過BUCK的不斷優(yōu)化而得，同時根據(jù)等效電路能夠得到BUCK變換器控制輸出開環(huán)傳遞函數(shù)：

其中，移相全橋ZVS變換器在運行過程中與BUCK變換器相比具有不同程度的差異性，最大的差異性是占空比不同。一般情況下，移相全橋變換器占空比主要為有效占空比Deff，移相全橋變換器主變壓器原副邊匝比1:n，有效占空比為：

其中，Lr代表諧振電感?？梢?，有效占空比Deff輸入電壓Vm、原邊占空比D以及負(fù)載電流的函數(shù)。由等效短路能夠得出移相全橋變換器控制-輸出傳遞函數(shù)：

其中，Rd=4n2Lrf，Rd為電流與電壓損失兩者的比值。此比值與負(fù)載電流相乘，再與原邊電壓相除得到占空比丟失?？梢钥闯?，占空比在一些情況下會受到負(fù)載電流的影響，在較大程度程度上無法有效提升低頻增益。此外，主電路參數(shù)設(shè)計在其中扮演著較為重要的角色，在對其實施設(shè)計期間，需根據(jù)實際情況有效控制占空比，主要是確保占空比保持較高的穩(wěn)定性。

6 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件主要包含中斷程序與主程序兩個部分，其中主程序主要是對系統(tǒng)實施有效的初始化，有效檢測開關(guān)機，并進(jìn)行初始化程序，再進(jìn)入到主程序循環(huán)等待中斷。此外，硬件初始化包含禁止中斷、偏置電路、設(shè)置CPU級中斷屏蔽寄存器以及清零所有CPU級中斷標(biāo)志寄存器等。

若CPU在進(jìn)行中斷請示的過程中對具體引起的中斷請求有較大的不確定性，為了提升CPU對外設(shè)事件的區(qū)分能力，需要在不同外設(shè)中斷請求時產(chǎn)生中斷向量。此向量與外設(shè)中斷向量寄存器有較大關(guān)系，且在該寄存器中裝載。中斷程序主要有NMI中斷子程序、TI煮沸后期中斷子程序等，其中在電壓中讀取其采樣值，數(shù)字濾波，實施控制算法，以此啟動電流AD轉(zhuǎn)換工作，實現(xiàn)周期中斷中的穩(wěn)壓控制。

7 結(jié) 論

數(shù)字化控制技術(shù)與模擬控制技術(shù)相比具有優(yōu)勢，在高頻開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用過程中凸顯出重要地位。但是，開關(guān)電源在工作中提升其頻率，會增加數(shù)字控制器的技術(shù)壓力和成本投入。所以，需要有效優(yōu)化與改進(jìn)高頻開關(guān)電源數(shù)字控制器中的不同技術(shù)環(huán)節(jié)，提高高頻開關(guān)電源數(shù)字控制器質(zhì)量。