一款DSC控制的数字电源实现

2016-03-12湘潭大学物理与光电工程学院

电子世界 2016年23期

关键词：数字控制补偿器传递函数

湘潭大学物理与光电工程学院申培

湖南进芯电子科技有限公司黄嵩人

湘潭大学物理与光电工程学院谭伟

一款DSC控制的数字电源实现

湘潭大学物理与光电工程学院申培

湖南进芯电子科技有限公司黄嵩人

湘潭大学物理与光电工程学院谭伟

数字化技术随着低成本、高性能控制芯片的出现而快速发展，同时也推动着开关电源向数字控制发展。文章利用一款新型数字信号控制器（DSC）ADP32，完成了基于DSC的数字电源应用研究，本文提供了DC/DC变换器的完整数字控制解决方案，数字PID补偿技术，精确时序的同步整流技术，以及PWM控制信号的产生等，最后用一台200W样机验证了数字控制的系统性能。

数字信号控制器；同步整流；PID控制；数字控制

1 引言

随着半导体行业的快速发展，低成本、高性能的DSC控制器不断出现，基于DSC控制的数字电源越来越备受关注，目前“绿色能源”、“能源之心”等概念的提出，数字控制的模块电源具有高效率、高功率密度等诸多优点，逐渐成为电源技术的研究热点。

数字电源（digital power supply）是一种以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源驱动器、PWM控制器等作为控制对象，能实现控制、管理、监测功能的电源产品。具有可以在一个标准化的硬件平台上，通过更新软件满足不同的需求[1]。ADP32是一款集实时处理（DSP）与控制（MCU）外设功能与一体的数字信号控制器，不但可以简化电路设计，还能快速有效实现各种复杂的控制算法。

2 数字电源系统设计

2.1 数字电源硬件框图

主功率回路是双管正激DC/DC变换器，其控制方式为脉冲宽度调制（PWM），主要由功率管Q1/Q2、续流二极管D1/D2、高频变压器、输出同步整流器、LC滤波器组成。

图1 系统硬件结构图

2.2 电流控制模式

在基于ADP32的DC/DC应用中，采用峰值电流控制模式，数字控制器的ADC模块采样输出电压与电压基准比较得到的电压差通过外环电压环 PID控制，得到一个电流基准再与采样MOS管电流相比较得到电流差用于电流环PID校正。最后电流环返回值就是功率开关管的PWM信号占空比D，通过改变占空比的大小来稳定输出电压[2]。

3 数字补偿技术

3.1 S域建模

数字电源的主功率回路和模拟电源一样，完成输入电压的隔离变换；而信号反馈回路实现了数字化，用DSC控制器芯片完成电压反馈信号的数字化处理和数字脉宽调制输出（DPWM）[3]。构建S域系统的框图模型，将电源整个闭环回路分为几个主要部分：功率级电路Gp(s)、信号调理和ADC采样Gad(s)、数字补偿器Gc(s)、电流环传递函数G2(s)整体框图如图2所示。

图2 控制环路传递函数系统框图

其中根据电路的小信号模型如下：

电流环传递函数为：

电压反馈传递函数为：

未补偿前的环路增益为：

将各式带入可求得：

在MATLAB中分析为补偿前H（s）环路特性：

sys=tf([3.68e-5 0.568],[3.73e-8 8.48e-5 1]);

bode(sys);

grid on;

sisotool(sys)

得到为补偿前的BODE图，根据自动控制理论，选取交越频率为开关频率的1/5～1/10，需要充足的相位裕量以避免发生震荡，其中最佳相位裕量为低相位裕量将导致欠阻尼的系统响应，较高的相位裕量则导致过阻尼的系统响应。从图3知不满足环路稳定条件。

图3 开环伯德图

应用“SISOTOOL”工具栏可以方便配置补偿器的零极点和增益，加入PID补偿器实现两大目标：一个是提高系统开环穿越频率，即带宽，这决定了系统的动态响应速度；另一个目标是增大系统的相位裕度，相位裕度决定系统动态响应幅度[4]。从图4的补偿BODE图可知，开环传递函数的穿越频率61.5Khz,相位裕度为60度，较好地实现了补偿的目的。最后确定的补偿器的传递函数为：

校正后的BODE如图4所示：

图4 带补偿器的开环伯德图

3.2 Tustin变换

用MATLAB中c2d函数实现Tustin变换，得：

数字补偿器= c2d(sys,0.00001,'tustin')

数字补偿器以差分方程的形式可以写成：

U(n)=1.853U(n-1)-0.853(n-2)+11.24E(n)-21.08E(n-1)+9.838E(n-2)

其中，U为补偿器输出的控制电压，E为误差电压。n=当前采样，n-1=前一次采样，得到的差分方程即数字补偿器的控制算法，通过ADP32中的程序实现。

4 同步整流技术

4.1 同步整流原理

同步整流技术（Synchronous Rectification）是指用导通电阻较低的MOSFET来替代整流二极管，从而达到降低整流损耗、提高效率的目的[2]。功率MOSFET属于电压型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系，同步的意思就是栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步。

4.2 SR选型及时序

选用IR公司的IRF3207整流管，其中通态电阻RDS=3.3，VDSS=75V。为避免次级整流管与续流管同时导通，在PWM3与PWM4驱动时序上必须设定一定的死区时间，参照IRF3207手册，其中：

根据整流管器件的延迟时间，设定死区时间为0.42us。

4.3 SR驱动波形

根据DSC中设计的一个专门死区单元，只要配置死区定时器预定标因子得到死区定时器的时钟，最后配置死区定时器的周期m[3],就能得到死区时间为0.42us互补的PWM（3.3v）波形。经由ucc27324驱动电路。

4.4 DSC控制实现

软件主要包括Main函数、ADC中断、PID控制子程序，主程序完成ADC、PWM、定时器、PID等模块初始化，然后等待ADC中断的到来，检测到中断信号就进入相应的流程。程序流程如图5所示：

本设计中，配置DSC的高速外设时钟HSPCLK为75Mhz,定时器输入时钟预定标因子TPS=0，得到定时器T1，T2的时钟TCLK=HSPCLK/2°=75Mhz,工作于连续增/减计数模式，设置T1PR=0x007D产生频率为300Khz的载波频率[5]，使能比较单元，配置CMPR1/CMPR2的值产生PWM1、PWM3、PWM4信号驱动MOS管。

数字PID运算在ADC中断调用运行，输出的与PWM占空比对应关系：