數(shù)字化控制電路在高頻開關電源設計中的應用

樊 峰

（樊氏科技發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引 言

我國信息化技術不斷發(fā)展，自動化產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。電源是維護整個系統(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，提升其可靠性和精確性。

1 開關電源的工作原理

開關電源主要是指在電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)下的電源。運行過程中，它需要具備開關、高頻以及直流條件。其中，開關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]。在開關電源開啟的過程中，將電路中的交流電源轉換成直流電壓，然后根據(jù)逆變器轉變?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變?yōu)榻涣麟妷海罱K轉變?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)字控制器構成的反饋環(huán)路中省去了補償網(wǎng)絡。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，或者通過打開風扇的方式有效降低對風扇、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)值進行有效調節(jié)與改變來實現(xiàn)其控制規(guī)律，會浪費一定的資源，且周期設計相對較長。數(shù)字控制器主要是根據(jù)軟件編程進行控制規(guī)律的修改，還能夠根據(jù)分句仿真驗證，提高設計工作的靈活性。若電源性能發(fā)生了改變，在對模擬控制器進行修改的過程中，需要對電路、布線以及刻板等實施重新設計；在對數(shù)字控制器進行修改的過程中，能夠通過編程增加、刪除以及修改控制參數(shù)，以大大縮減設計周期[2]。比如，能夠在不對硬件進行修改的情況下，對同一個電壓調節(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)字設備進行有效連接，且具有兼容優(yōu)勢。在較多產(chǎn)品中，一些數(shù)字設備中開關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)字設備的統(tǒng)一管理，其中質量輕和體積小是便攜設備較為重要的需求。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 開關電源的軟開關技術

開關電源的使用年限主要是由模塊內部的溫度決定，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電源一般將脈寬調制技術作為主要技術，其英文縮寫為PWM。其中，硬PWM控制型開關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量以及尺寸，在高頻率環(huán)境中還會大大增加開關損耗。所以，一般情況下將工作頻率限制在一定范圍內。此外，PWM型開關電源運行損耗主要是開關過程以及導通狀態(tài)下的損耗。然而，開通損耗主要是儲存在新載開關中的寄生電容能量的突變引起的[3]。開關管關斷過程中，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器件的應力，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 高頻開關電源數(shù)字控制器

4.1 數(shù)字補償器設計

數(shù)字補償器的設計方法主要分為直接數(shù)字設計方法和間接數(shù)字設計方法。在間接數(shù)字設計過程中，需構建電源模型，并在相關區(qū)域設置連續(xù)模型，再對其進行有效的離散化，之后設計Z區(qū)域中的離散模型。在進行直接數(shù)字設計的過程中，在Z區(qū)域中進行數(shù)字控制器中的離散模型的全面設計。此外，在此轉換過程中會產(chǎn)生多種離散化方法，在Z區(qū)域中進行離散模型設計有較多種直接數(shù)字設計方法。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)字補償器設計方法需要根據(jù)實際情況進行針對性設計。

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)響應性能要求的基礎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，需要在模型轉換器的基礎上有效轉變檢測量，以將其轉換成數(shù)字量，再根據(jù)一定的控制算法實施有效的調節(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，并進行控制環(huán)節(jié)的有效設計。所以，分析設計過程相對簡潔，可有效實現(xiàn)數(shù)字控制器，是該領域研究最早的高頻開關電源數(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)在高頻開關電源中較好地應用數(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)律進行設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用效果，甚至處于主導地位。此外，在主流ADC架構中，有逐次逼近寄存式、閃速式等。不同構建在電路復雜性和轉換速度方面具有各自的優(yōu)缺點。其中，閃速構建主要是比較器以一定的分辨率對模擬信號實施測量。閃速式架構速度相對較快，主要是因轉換過程可在一個周期內完成，但是結構相對復雜，需要使用較多比較器，具體見圖1。

圖1 閃速式架構

逐次逼近寄存式構架主要是使用比較器在不同周期內逐位完成轉換過程，其中只需一個比較器與n位數(shù)模擬轉換器DAC，但需n個比較周期才能達到n位分辨率，轉換過程較長，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，功率開關導通，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，切斷功率開關，以此達到對時間分格選取的目的。

5 高頻開關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撲狀態(tài)空間方程為基礎進行不同層次處理，由此得到信號較小特性的數(shù)學模型，并在此基礎上進行短路模型的有效構建。該短路模型在使用過程中具有較大的應用價值。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。可見，有效占空比Deff輸入電壓Vm、原邊占空比D以及負載電流的函數(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。此比值與負載電流相乘，再與原邊電壓相除得到占空比丟失。可以看出，占空比在一些情況下會受到負載電流的影響，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)設計在其中扮演著較為重要的角色，在對其實施設計期間，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，有效檢測開關機，并進行初始化程序，再進入到主程序循環(huán)等待中斷。此外，硬件初始化包含禁止中斷、偏置電路、設置CPU級中斷屏蔽寄存器以及清零所有CPU級中斷標志寄存器等。

若CPU在進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對外設事件的區(qū)分能力，需要在不同外設中斷請求時產(chǎn)生中斷向量。此向量與外設中斷向量寄存器有較大關系，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轉換工作，實現(xiàn)周期中斷中的穩(wěn)壓控制。

7 結 論

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