数控电源利用开环控制带来的调试便利

2019-06-05许光华黄昌宾

通信电源技术 2019年5期

许光华，黄昌宾

（中国长城科技集团股份有限公司电源事业部，广东深圳 518108）

0 引言

电源产品中，采用数字控制取代模拟控制渐渐成为一种趋势。与模拟电源相比，数字电源控制更加灵活，针对不同的工况可以采用灵活多变的控制策略，较大程度减少周边电路的元器件，且衍生的新产品更容易且改动小。调试过程中，数控电源也有许多模拟电源不可比拟的优势。本文将介绍一种数控电源调试经常采用的调试方法——开环控制调试法，并讨论这种方法在不同场景中的运用。

1 场景一

场景一：在不同工作条件下，后台输入最优控制值，然后用表格统计记录，形成控制曲线，编程写入控制芯片。

很多电源产品都需要风扇散热，风扇转速较高会使电源模块各个器件工作在理想的安全温度点，也可提高模块效率，但也可能使噪音指标超标。所以，在不同的输入输出条件和环境温度的工况条件下，优化选择不同的风扇控制量十分重要。开环风扇转速的控制量，后台输入风扇转速值，并记录此时的工况条件、温度、效率等关键指标值后整理成表格，优选控制策略，然后形成控制曲线。

除了风扇控制，这种最简单的开环调试应用在很多其他数控电源的调试场景中。比如，交流输入采用有源PFC的电源模块，为了补偿X滤波电容造成的输入电流、电压相位差，优化PF、THD值，经常会在PFC电流环给定中根据输入电流或功率值加入超前相位补偿。这个补偿量可以先在各种工况下，在后台输入不同最优的补偿值制成表格，然后再用程序写成控制曲线。

2 场景二

场景二：开环控制环路，排除输出波形或指标不理想是否是采样值被干扰造成的。

直流输出的电源产品经常会考量输出电压纹波值，如最常见的全频率段纹波峰峰值。当输出电压纹波上出现一些频率较高的毛刺如十几千赫兹、几十千赫兹时[1]，靠提高环路增益压制这些毛刺是不可行的。但是，它们也不像开关管开通/关断瞬间的几兆赫兹毛刺，可以通过在输出电路上加入高频率波电容滤除。因此，需要仔细观察毛刺形成的原因，然后予以解决。

图1是某电源模块直流输出电压纹波，此电源模块DC-DC环节采用交错LLC拓扑。可以看到，输出电压上有很多高频毛刺。如图2所示，把图1的高频毛刺点展开，观察对应的PWM驱动，谐振2通道为输出电压纹波，1通道是开关管PWM驱动，3、4通道是LLC谐振腔电流。由圆圈标记处可以看到，当1通道的PWM驱动先行明显变大后，2通道的输出电压出现一个异常增大。LLC开关频率约120 kHz，而毛刺4～5个开关周期。但是，很难分析先是发波异常再造成纹波毛刺，还是先采样错误再引起发波变化而引起纹波毛刺。

扫描此工况下的环路，结果如图3所示。发现环路OK，带宽445 Hz，增益裕量16 dB，相位裕量111°，不应该有环路控制震荡。

在此工况下通过软件发命令开环LLC控制，即控制LLC发大约120 kHz，50%占空比的固定PWM波。

图1 电源模块直流输出电压纹波

用示波器看，输出电压纹波变成了光滑的工频纹波，但通过读取控制芯片内部RAM记录得输出电压采样读值发现，在工频纹波上会有一些突变的异常采样点（因为此时已经开环，这些突变点不可能是发波突变造成的，只能是采样值受到干扰，造成的采样出错异常），如图4所示。横坐标为采样时间间隔，每个单位值对应14.28 μs（即采样频率70 kHz），纵坐标为输出电压采样值，每个单位值对应4 mV。

图2 直流输出电压毛刺点的交错LLC谐振电流及其中一路LLC的驱动

图3 LLC的环路波特图

图4 控制芯片内部RAM记录得一段输出电压纹波采样值

通过调整输出电压采样通道的滤波电容位置，使其更靠近控制芯片，改善了这些采样突变点，消除了输出电压纹波上这些几十千赫兹的毛刺。

数字控制电源在查找这些采样干扰时优势明显。第一，容易做到不改变工作条件的情况下控制发波开环，解耦发波环节和采样环节，查明是发波突变造成采样上的杂讯还是采样上的杂讯造成发波突变。第二，可以用RAM记录采样波形后通过后台读出来，绘制成波形曲线，而不用在采样通道上用示波器探头勾波形。因为采样通道上的信号很弱，勾上示波器探头很容易引入干扰，难以反映真实波形。

3 场景三

场景三：开环渐变输出控制量，调试输出的单调性或线性。

有些拓扑如LLC拓扑，对于发波的方式、发波的精度要求较高。采用数字控制时，如果发波的方式、高精度PWM设置不合适，或者程序有计算上的舍入误差，可能会造成输出电压纹波增大，甚至引起波形震荡。如图5所示，输出54 V电压波形上300 mV震荡。

图5 54 V直流输出电压上的纹波

这种情况下，可以通过开环LLC环路控制渐变输出驱动的占空比和频率来查看工作区域的单调性和线性。在保证输入、输出电压以及输出负载的条件下，小范围开环渐变LLC输出PWM发波频率（即开环控制PWM发波频率从A频率～B频率等步径速率来回变化），发现输出电压波形有很多无规律跌坑，如图6所示。

经查，为PWM高精度使能有问题。更正PWM高精度发波配置后，波形变光滑，如图7所示。

此时，再把LLC闭环工作，输出电压没有微小震荡。一般来讲，LLC拓扑效率较高，占板面积较小，近来较受设计工程师喜爱，但对发波精度、发波配置方式要求较高。配置不合适时，调频区域可能不线性，调宽区域甚至可能不单调。这时采用开环渐变输出PWM的方式，先在此测试条件下把输出波形调地尽量线性、单调，再根据测试结果调整环路参数，更容易满足规格要求。