數(shù)控電源利用開環(huán)控制帶來的調(diào)試便利

許光華，黃昌賓

（中國長城科技集團(tuán)股份有限公司 電源事業(yè)部，廣東 深圳 518108）

0 引 言

電源產(chǎn)品中，采用數(shù)字控制取代模擬控制漸漸成為一種趨勢。與模擬電源相比，數(shù)字電源控制更加靈活，針對不同的工況可以采用靈活多變的控制策略，較大程度減少周邊電路的元器件，且衍生的新產(chǎn)品更容易且改動(dòng)小。調(diào)試過程中，數(shù)控電源也有許多模擬電源不可比擬的優(yōu)勢。本文將介紹一種數(shù)控電源調(diào)試經(jīng)常采用的調(diào)試方法——開環(huán)控制調(diào)試法，并討論這種方法在不同場景中的運(yùn)用。

1 場景一

場景一：在不同工作條件下，后臺(tái)輸入最優(yōu)控制值，然后用表格統(tǒng)計(jì)記錄，形成控制曲線，編程寫入控制芯片。

很多電源產(chǎn)品都需要風(fēng)扇散熱，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較高會(huì)使電源模塊各個(gè)器件工作在理想的安全溫度點(diǎn)，也可提高模塊效率，但也可能使噪音指標(biāo)超標(biāo)。所以，在不同的輸入輸出條件和環(huán)境溫度的工況條件下，優(yōu)化選擇不同的風(fēng)扇控制量十分重要。開環(huán)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制量，后臺(tái)輸入風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值，并記錄此時(shí)的工況條件、溫度、效率等關(guān)鍵指標(biāo)值后整理成表格，優(yōu)選控制策略，然后形成控制曲線。

除了風(fēng)扇控制，這種最簡單的開環(huán)調(diào)試應(yīng)用在很多其他數(shù)控電源的調(diào)試場景中。比如，交流輸入采用有源PFC的電源模塊，為了補(bǔ)償X濾波電容造成的輸入電流、電壓相位差，優(yōu)化PF、THD值，經(jīng)常會(huì)在PFC電流環(huán)給定中根據(jù)輸入電流或功率值加入超前相位補(bǔ)償。這個(gè)補(bǔ)償量可以先在各種工況下，在后臺(tái)輸入不同最優(yōu)的補(bǔ)償值制成表格，然后再用程序?qū)懗煽刂魄€。

2 場景二

場景二：開環(huán)控制環(huán)路，排除輸出波形或指標(biāo)不理想是否是采樣值被干擾造成的。

直流輸出的電源產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)考量輸出電壓紋波值，如最常見的全頻率段紋波峰峰值。當(dāng)輸出電壓紋波上出現(xiàn)一些頻率較高的毛刺如十幾千赫茲、幾十千赫茲時(shí)[1]，靠提高環(huán)路增益壓制這些毛刺是不可行的。但是，它們也不像開關(guān)管開通/關(guān)斷瞬間的幾兆赫茲毛刺，可以通過在輸出電路上加入高頻率波電容濾除。因此，需要仔細(xì)觀察毛刺形成的原因，然后予以解決。

圖1是某電源模塊直流輸出電壓紋波，此電源模塊DC-DC環(huán)節(jié)采用交錯(cuò)LLC拓?fù)??？梢钥吹剑敵鲭妷荷嫌泻芏喔哳l毛刺。如圖2所示，把圖1的高頻毛刺點(diǎn)展開，觀察對應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)，諧振2通道為輸出電壓紋波，1通道是開關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)，3、4通道是LLC諧振腔電流。由圓圈標(biāo)記處可以看到，當(dāng)1通道的PWM驅(qū)動(dòng)先行明顯變大后，2通道的輸出電壓出現(xiàn)一個(gè)異常增大。LLC開關(guān)頻率約120 kHz，而毛刺4～5個(gè)開關(guān)周期。但是，很難分析先是發(fā)波異常再造成紋波毛刺，還是先采樣錯(cuò)誤再引起發(fā)波變化而引起紋波毛刺。

掃描此工況下的環(huán)路，結(jié)果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)環(huán)路OK，帶寬445 Hz，增益裕量16 dB，相位裕量111°，不應(yīng)該有環(huán)路控制震蕩。

在此工況下通過軟件發(fā)命令開環(huán)LLC控制，即控制LLC發(fā)大約120 kHz，50%占空比的固定PWM波。

圖1 電源模塊直流輸出電壓紋波

用示波器看，輸出電壓紋波變成了光滑的工頻紋波，但通過讀取控制芯片內(nèi)部RAM記錄得輸出電壓采樣讀值發(fā)現(xiàn)，在工頻紋波上會(huì)有一些突變的異常采樣點(diǎn)（因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)開環(huán)，這些突變點(diǎn)不可能是發(fā)波突變造成的，只能是采樣值受到干擾，造成的采樣出錯(cuò)異常），如圖4所示。橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間間隔，每個(gè)單位值對應(yīng)14.28 μs（即采樣頻率70 kHz），縱坐標(biāo)為輸出電壓采樣值，每個(gè)單位值對應(yīng)4 mV。

圖2 直流輸出電壓毛刺點(diǎn)的交錯(cuò)LLC諧振電流及其中一路LLC的驅(qū)動(dòng)

圖3 LLC的環(huán)路波特圖

圖4 控制芯片內(nèi)部RAM記錄得一段輸出電壓紋波采樣值

通過調(diào)整輸出電壓采樣通道的濾波電容位置，使其更靠近控制芯片，改善了這些采樣突變點(diǎn)，消除了輸出電壓紋波上這些幾十千赫茲的毛刺。

數(shù)字控制電源在查找這些采樣干擾時(shí)優(yōu)勢明顯。第一，容易做到不改變工作條件的情況下控制發(fā)波開環(huán)，解耦發(fā)波環(huán)節(jié)和采樣環(huán)節(jié)，查明是發(fā)波突變造成采樣上的雜訊還是采樣上的雜訊造成發(fā)波突變。第二，可以用RAM記錄采樣波形后通過后臺(tái)讀出來，繪制成波形曲線，而不用在采樣通道上用示波器探頭勾波形。因?yàn)椴蓸油ǖ郎系男盘?hào)很弱，勾上示波器探頭很容易引入干擾，難以反映真實(shí)波形。

3 場景三

場景三：開環(huán)漸變輸出控制量，調(diào)試輸出的單調(diào)性或線性。

有些拓?fù)淙鏛LC拓?fù)洌瑢τ诎l(fā)波的方式、發(fā)波的精度要求較高。采用數(shù)字控制時(shí)，如果發(fā)波的方式、高精度PWM設(shè)置不合適，或者程序有計(jì)算上的舍入誤差，可能會(huì)造成輸出電壓紋波增大，甚至引起波形震蕩。如圖5所示，輸出54 V電壓波形上300 mV震蕩。

圖5 54 V直流輸出電壓上的紋波

這種情況下，可以通過開環(huán)LLC環(huán)路控制漸變輸出驅(qū)動(dòng)的占空比和頻率來查看工作區(qū)域的單調(diào)性和線性。在保證輸入、輸出電壓以及輸出負(fù)載的條件下，小范圍開環(huán)漸變LLC輸出PWM發(fā)波頻率（即開環(huán)控制PWM發(fā)波頻率從A頻率～B頻率等步徑速率來回變化），發(fā)現(xiàn)輸出電壓波形有很多無規(guī)律跌坑，如圖6所示。

經(jīng)查，為PWM高精度使能有問題。更正PWM高精度發(fā)波配置后，波形變光滑，如圖7所示。

此時(shí)，再把LLC閉環(huán)工作，輸出電壓沒有微小震蕩。一般來講，LLC拓?fù)湫瘦^高，占板面積較小，近來較受設(shè)計(jì)工程師喜愛，但對發(fā)波精度、發(fā)波配置方式要求較高。配置不合適時(shí)，調(diào)頻區(qū)域可能不線性，調(diào)寬區(qū)域甚至可能不單調(diào)。這時(shí)采用開環(huán)漸變輸出PWM的方式，先在此測試條件下把輸出波形調(diào)地盡量線性、單調(diào)，再根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整環(huán)路參數(shù)，更容易滿足規(guī)格要求。

4 結(jié) 論

通過簡單列舉數(shù)控電源在產(chǎn)品開發(fā)中利用開環(huán)控制進(jìn)行調(diào)試的幾個(gè)案例，闡述了數(shù)控電源中靈活運(yùn)用開環(huán)控制給調(diào)試工作帶來的便利，以期提供參考。

圖6 LLC開環(huán)漸變頻率后的輸出電壓

圖7 改善PWM發(fā)波配置后LLC開環(huán)漸變頻率的輸出電壓