電源行業(yè)目前正在從模擬控制向數(shù)字控制過渡，尤其是在高性能電源設(shè)計(jì)方面。事實(shí)上，數(shù)字控制器現(xiàn)在控制著服務(wù)器中使用的大多數(shù) AC/DC 電源。

與模擬控制器相比，數(shù)字控制器提供了更大的靈活性和性能。但是那些從模擬控制切換到數(shù)字解決方案的人面臨著新的挑戰(zhàn)，其中連續(xù)信號由離散格式表示：1 或 0。在這個(gè)博客系列中，我將提供設(shè)計(jì)數(shù)字控制電源的實(shí)用指南。

數(shù)字控制基礎(chǔ)

如圖 1 所示，模擬控制使用電阻器、電容器和運(yùn)算放大器等分立元件來產(chǎn)生控制作用 u(t)。該輸出命令植物的輸出 y(t) 通過傳感器 H(s) 匹配參考 r(t)。

圖 1：模擬控制反饋系統(tǒng)

圖 2 顯示了一個(gè)典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，其中反饋信號 f(t) 被采樣并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后將其與參考進(jìn)行比較以獲得數(shù)字誤差信號。數(shù)字補(bǔ)償器使用此誤差信號生成相應(yīng)的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號來控制功率級。與圖1相比，控制原理相同，但實(shí)現(xiàn)方式不同：一個(gè)是連續(xù)的，另一個(gè)是離散的。

圖 2：數(shù)字控制反饋系統(tǒng)

一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例

讓我們使用德州儀器的UCD3138控制器設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的升壓轉(zhuǎn)換器。

UCD3138是一款完全可編程的數(shù)字電源控制器，可在單芯片解決方案中提供卓越的集成度和性能。靈活的特性使其適用于各種電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，包括功率因數(shù)校正 (PFC)、LLC 諧振轉(zhuǎn)換器、移相全橋等。此外，器件內(nèi)部的多個(gè)外設(shè)經(jīng)過專門優(yōu)化，可增強(qiáng)AC/DC 和隔離式 DC/DC 應(yīng)用并減少組件數(shù)量。

圖 3 是UCD3138控制的升壓轉(zhuǎn)換器的框圖。信號接口很簡單：轉(zhuǎn)換器輸出電壓被衰減并連接到控制環(huán)路反饋輸入引腳。然后將其與內(nèi)部可編程參考進(jìn)行比較以獲得錯(cuò)誤。然后將錯(cuò)誤發(fā)送到錯(cuò)誤 ADC (EADC) 并進(jìn)行數(shù)字化。然后，該數(shù)字誤差信號通過比例積分微分 (PID) 數(shù)字補(bǔ)償器，PID 的輸出生成相應(yīng)的 PWM 占空比。所有的補(bǔ)償都是內(nèi)部的，不需要任何外部補(bǔ)償電路。

圖 3：UCD3138控制的升壓轉(zhuǎn)換器框圖 

此外，UCD3138內(nèi)置了帶有可編程基準(zhǔn)的模擬比較器，可用于實(shí)現(xiàn)快速過壓保護(hù)（OVP）。如果檢測到的 Vout 信號高于預(yù)定義的閾值，模擬比較器將被觸發(fā)，所有 PWM 信號將關(guān)閉以保護(hù)電源。輸入電壓也可以通過 ADC 測量，以實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)。

閉環(huán)

在談?wù)摶芈房刂茣r(shí)，極點(diǎn)/零點(diǎn)是模擬電力工程師的常用術(shù)語，但數(shù)字控制領(lǐng)域通常使用 PID。傳統(tǒng)的 PID 與UCD3138中的額外 ɑ 相結(jié)合，以提供二極二零數(shù)字補(bǔ)償器，如圖 4 所示。

圖 4：UCD3138 PID 結(jié)構(gòu)

等式 1 計(jì)算此 PID 在 z 域中的傳遞函數(shù)：

K P、K I、K D和 ɑ 都是可編程的，可以隨時(shí)調(diào)整；這意味著可以根據(jù)運(yùn)行條件動(dòng)態(tài)改變控制回路以實(shí)現(xiàn)最佳性能。還支持非線性 PID 控制以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。

就像在模擬電源設(shè)計(jì)中一樣，控制回路設(shè)計(jì)的目標(biāo)是找到正確的極點(diǎn)/零點(diǎn)，以使系統(tǒng)具有所需的回路帶寬和足夠的穩(wěn)定性裕度。以下是設(shè)計(jì)UCD3138控制回路的典型序列：

1. 導(dǎo)出功率級的小信號模型。

2. 選擇適當(dāng)?shù)?/span> K P、 K I、 K D和 ɑ 以使環(huán)路具有所需的帶寬和足夠的穩(wěn)定性余量。

3. 將 K P、 K I、 K D和 ɑ加載到UCD3138并打開電源轉(zhuǎn)換器。

4. 微調(diào) K P、 K I、 K D和 ɑ 直到轉(zhuǎn)換器性能滿足我們所需的規(guī)格。例如，負(fù)載瞬態(tài)期間的 Vout 偏差應(yīng)在特定范圍內(nèi)。

5. 使用頻率分析儀來測量實(shí)際的環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性裕度。如果它們不符合我們所需的規(guī)格，請重復(fù)步驟 4。

有關(guān)UCD3138 PID 控制器如何工作的更多信息，以及如何借助頻率分析儀調(diào)整控制回路的設(shè)計(jì)示例，請參閱附加資源部分。

如果我們熟悉傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償器（如圖 5 所示），并且希望在我們的數(shù)字設(shè)計(jì)中保持相同的補(bǔ)償，我們可以使用公式 2、3、4 和 5 將極點(diǎn)/零點(diǎn)轉(zhuǎn)換為時(shí)域在 z 域中分為 K P、 K I、 K D和 ɑ。

圖 5：傳統(tǒng)模擬補(bǔ)償器

現(xiàn)在我們已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行測試的UCD3138控制的電源轉(zhuǎn)換器了。