湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 申 培

湖南進(jìn)芯電子科技有限公司 黃嵩人

湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 譚 偉

一款DSC控制的數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)

湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 申 培

湖南進(jìn)芯電子科技有限公司 黃嵩人

湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 譚 偉

數(shù)字化技術(shù)隨著低成本、高性能控制芯片的出現(xiàn)而快速發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源向數(shù)字控制發(fā)展。文章利用一款新型數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）ADP32，完成了基于DSC的數(shù)字電源應(yīng)用研究，本文提供了DC/DC變換器的完整數(shù)字控制解決方案，數(shù)字PID補(bǔ)償技術(shù)，精確時(shí)序的同步整流技術(shù)，以及PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生等，最后用一臺(tái)200W樣機(jī)驗(yàn)證了數(shù)字控制的系統(tǒng)性能。

數(shù)字信號(hào)控制器；同步整流；PID控制；數(shù)字控制

1 引言

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，低成本、高性能的DSC控制器不斷出現(xiàn)，基于DSC控制的數(shù)字電源越來(lái)越備受關(guān)注，目前“綠色能源”、“能源之心”等概念的提出，數(shù)字控制的模塊電源具有高效率、高功率密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電源技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

數(shù)字電源（digital power supply）是一種以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、PWM控制器等作為控制對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)控制、管理、監(jiān)測(cè)功能的電源產(chǎn)品。具有可以在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)上，通過(guò)更新軟件滿(mǎn)足不同的需求[1]。ADP32是一款集實(shí)時(shí)處理（DSP）與控制（MCU）外設(shè)功能與一體的數(shù)字信號(hào)控制器，不但可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，還能快速有效實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法。

2 數(shù)字電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字電源硬件框圖

主功率回路是雙管正激DC/DC變換器，其控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM），主要由功率管Q1/Q2、續(xù)流二極管D1/D2、高頻變壓器、輸出同步整流器、LC濾波器組成。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 電流控制模式

在基于ADP32的DC/DC應(yīng)用中，采用峰值電流控制模式，數(shù)字控制器的ADC模塊采樣輸出電壓與電壓基準(zhǔn)比較得到的電壓差通過(guò)外環(huán)電壓環(huán) PID控制，得到一個(gè)電流基準(zhǔn)再與采樣MOS管電流相比較得到電流差用于電流環(huán)PID校正。最后電流環(huán)返回值就是功率開(kāi)關(guān)管的PWM信號(hào)占空比D，通過(guò)改變占空比的大小來(lái)穩(wěn)定輸出電壓[2]。

3 數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)

3.1 S域建模

數(shù)字電源的主功率回路和模擬電源一樣，完成輸入電壓的隔離變換；而信號(hào)反饋回路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，用DSC控制器芯片完成電壓反饋信號(hào)的數(shù)字化處理和數(shù)字脈寬調(diào)制輸出（DPWM）[3]。構(gòu)建S域系統(tǒng)的框圖模型，將電源整個(gè)閉環(huán)回路分為幾個(gè)主要部分：功率級(jí)電路Gp(s)、信號(hào)調(diào)理和ADC采樣Gad(s)、數(shù)字補(bǔ)償器Gc(s)、電流環(huán)傳遞函數(shù)G2(s)整體框圖如圖2所示。

圖2 控制環(huán)路傳遞函數(shù)系統(tǒng)框圖

其中根據(jù)電路的小信號(hào)模型如下：

電流環(huán)傳遞函數(shù)為：

電壓反饋傳遞函數(shù)為：

未補(bǔ)償前的環(huán)路增益為：

將各式帶入可求得：

在MATLAB中分析為補(bǔ)償前H（s）環(huán)路特性：

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

bode(sys);

grid on;

sisotool(sys)

得到為補(bǔ)償前的BODE圖，根據(jù)自動(dòng)控制理論，選取交越頻率為開(kāi)關(guān)頻率的1/5～1/10，需要充足的相位裕量以避免發(fā)生震蕩，其中最佳相位裕量為低相位裕量將導(dǎo)致欠阻尼的系統(tǒng)響應(yīng)，較高的相位裕量則導(dǎo)致過(guò)阻尼的系統(tǒng)響應(yīng)。從圖3知不滿(mǎn)足環(huán)路穩(wěn)定條件。

圖3 開(kāi)環(huán)伯德圖

應(yīng)用“SISOTOOL”工具欄可以方便配置補(bǔ)償器的零極點(diǎn)和增益，加入PID補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)：一個(gè)是提高系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穿越頻率，即帶寬，這決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；另一個(gè)目標(biāo)是增大系統(tǒng)的相位裕度，相位裕度決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅度[4]。從圖4的補(bǔ)償BODE圖可知，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率61.5Khz,相位裕度為60度，較好地實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償?shù)哪康?。最后確定的補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：

校正后的BODE如圖4所示：

圖4 帶補(bǔ)償器的開(kāi)環(huán)伯德圖

3.2 Tustin變換

用MATLAB中c2d函數(shù)實(shí)現(xiàn)Tustin變換，得：

數(shù)字補(bǔ)償器= c2d(sys,0.00001,'tustin')

數(shù)字補(bǔ)償器以差分方程的形式可以寫(xiě)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為補(bǔ)償器輸出的控制電壓，E為誤差電壓。n=當(dāng)前采樣，n-1=前一次采樣，得到的差分方程即數(shù)字補(bǔ)償器的控制算法，通過(guò)ADP32中的程序?qū)崿F(xiàn)。

4 同步整流技術(shù)

4.1 同步整流原理

同步整流技術(shù)（Synchronous Rectification）是指用導(dǎo)通電阻較低的MOSFET來(lái)替代整流二極管，從而達(dá)到降低整流損耗、提高效率的目的[2]。功率MOSFET屬于電壓型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線(xiàn)性關(guān)系，同步的意思就是柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步。

4.2 SR選型及時(shí)序

選用IR公司的IRF3207整流管，其中通態(tài)電阻RDS=3.3，VDSS=75V。為避免次級(jí)整流管與續(xù)流管同時(shí)導(dǎo)通，在PWM3與PWM4驅(qū)動(dòng)時(shí)序上必須設(shè)定一定的死區(qū)時(shí)間，參照IRF3207手冊(cè)，其中：

根據(jù)整流管器件的延遲時(shí)間，設(shè)定死區(qū)時(shí)間為0.42us。

4.3 SR驅(qū)動(dòng)波形

根據(jù)DSC中設(shè)計(jì)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)死區(qū)單元，只要配置死區(qū)定時(shí)器預(yù)定標(biāo)因子得到死區(qū)定時(shí)器的時(shí)鐘，最后配置死區(qū)定時(shí)器的周期m[3],就能得到死區(qū)時(shí)間為0.42us互補(bǔ)的PWM（3.3v）波形。經(jīng)由ucc27324驅(qū)動(dòng)電路。

4.4 DSC控制實(shí)現(xiàn)

軟件主要包括Main函數(shù)、ADC中斷、PID控制子程序，主程序完成ADC、PWM、定時(shí)器、PID等模塊初始化，然后等待ADC中斷的到來(lái)，檢測(cè)到中斷信號(hào)就進(jìn)入相應(yīng)的流程。程序流程如圖5所示：

本設(shè)計(jì)中，配置DSC的高速外設(shè)時(shí)鐘HSPCLK為75Mhz,定時(shí)器輸入時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)因子TPS=0，得到定時(shí)器T1，T2的時(shí)鐘TCLK=HSPCLK/2°=75Mhz,工作于連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，設(shè)置T1PR=0x007D產(chǎn)生頻率為300Khz的載波頻率[5]，使能比較單元，配置CMPR1/CMPR2的值產(chǎn)生PWM1、PWM3、PWM4信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管。

數(shù)字PID運(yùn)算在ADC中斷調(diào)用運(yùn)行，輸出的與PWM占空比對(duì)應(yīng)關(guān)系：

Vm為PWM斜坡電壓的AD值，F(xiàn)_PWM為寄存器T1PR的值，Avm為每一位AD值對(duì)應(yīng)的PWM脈沖數(shù)。

圖5 程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文在基于ADP32的平臺(tái)上搭載了一臺(tái)200W的數(shù)字電源模塊樣機(jī)，參數(shù)如下：1）電壓輸入范圍：380～410（前級(jí)PFC輸出）2）輸出電壓：DC24V；3）輸出電流：8A（MAX）；4）輸出功率：200W （MAX）；5）開(kāi)關(guān)頻率：300Khz；6）效率：～92%。

用示波器觀測(cè)MOS管柵極的驅(qū)動(dòng)波形。

圖6 MOS管G極驅(qū)動(dòng)波形

圖6左為功率管Q1/Q2柵極的驅(qū)動(dòng)波形，頻率300K，幅度為12.0V，此時(shí)的占空比約為0.37。

圖6右為SR管Q3/Q4柵極的驅(qū)動(dòng)波形，死區(qū)時(shí)間為0.42us。

6 結(jié)論

數(shù)字控制已成為電力電子研究領(lǐng)域的重要方向，基于DSC的控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域逐漸普及。本文采用DSC數(shù)字控制雙管正激拓?fù)?，研究了?shù)字PID補(bǔ)償算法，結(jié)合同步整流技術(shù)提高效率，而且還對(duì)DC/DC變換器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、帶死區(qū)PWM產(chǎn)生策略等，最后用一臺(tái)200W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)正確性。

[1]陳新,Charlie Wu,W.Hutching等.基于DSC控制的數(shù)字功率因數(shù)校正模塊應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(12):99-104.

[2]Huang Bo.The Research of Digital and Analog Control for 60W Switches Forward Power Supply [D].Hangzhou Dianzi University, 2012:46-54(in Chinese).

[3]王斌,黃健明,等.數(shù)字DC/DC開(kāi)關(guān)電源環(huán)路補(bǔ)償器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(34):70-73.

[4]曹藝,陳曉飛,等.用于DC/DC變換器的數(shù)字控制器的研究與設(shè)計(jì)[D].華中科技大學(xué),2010:45-74.

[5]顧衛(wèi)鋼,等.手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X281X[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

申培（1990—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士在讀，基于DSC控制的數(shù)字電源研究。

黃嵩人（1972—），男，博士，研究員，研究方向：DSP芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)。

譚偉（1990—），男，湖南益陽(yáng)人，碩士在讀，基于DSC控制的數(shù)字電源研究。