一款DSC控制的數字電源實現

湘潭大學物理與光電工程學院 申 培

湖南進芯電子科技有限公司 黃嵩人

湘潭大學物理與光電工程學院 譚 偉

一款DSC控制的數字電源實現

湘潭大學物理與光電工程學院 申 培

湖南進芯電子科技有限公司 黃嵩人

湘潭大學物理與光電工程學院 譚 偉

數字化技術隨著低成本、高性能控制芯片的出現而快速發展，同時也推動著開關電源向數字控制發展。文章利用一款新型數字信號控制器（DSC）ADP32，完成了基于DSC的數字電源應用研究，本文提供了DC/DC變換器的完整數字控制解決方案，數字PID補償技術，精確時序的同步整流技術，以及PWM控制信號的產生等，最后用一臺200W樣機驗證了數字控制的系統性能。

數字信號控制器；同步整流；PID控制；數字控制

1 引言

隨著半導體行業的快速發展，低成本、高性能的DSC控制器不斷出現，基于DSC控制的數字電源越來越備受關注，目前“綠色能源”、“能源之心”等概念的提出，數字控制的模塊電源具有高效率、高功率密度等諸多優點，逐漸成為電源技術的研究熱點。

數字電源（digital power supply）是一種以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數字電源驅動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現控制、管理、監測功能的電源產品。具有可以在一個標準化的硬件平臺上，通過更新軟件滿足不同的需求[1]。ADP32是一款集實時處理（DSP）與控制（MCU）外設功能與一體的數字信號控制器，不但可以簡化電路設計，還能快速有效實現各種復雜的控制算法。

2 數字電源系統設計

2.1 數字電源硬件框圖

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制（PWM），主要由功率管Q1/Q2、續流二極管D1/D2、高頻變壓器、輸出同步整流器、LC濾波器組成。

圖1 系統硬件結構圖

2.2 電流控制模式

在基于ADP32的DC/DC應用中，采用峰值電流控制模式，數字控制器的ADC模塊采樣輸出電壓與電壓基準比較得到的電壓差通過外環電壓環 PID控制，得到一個電流基準再與采樣MOS管電流相比較得到電流差用于電流環PID校正。最后電流環返回值就是功率開關管的PWM信號占空比D，通過改變占空比的大小來穩定輸出電壓[2]。

3 數字補償技術

3.1 S域建模

數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；而信號反饋回路實現了數字化，用DSC控制器芯片完成電壓反饋信號的數字化處理和數字脈寬調制輸出（DPWM）[3]。構建S域系統的框圖模型，將電源整個閉環回路分為幾個主要部分：功率級電路Gp(s)、信號調理和ADC采樣Gad(s)、數字補償器Gc(s)、電流環傳遞函數G2(s)整體框圖如圖2所示。

圖2 控制環路傳遞函數系統框圖

其中根據電路的小信號模型如下：

電流環傳遞函數為：

電壓反饋傳遞函數為：

未補償前的環路增益為：

將各式帶入可求得：

在MATLAB中分析為補償前H（s）環路特性：

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

bode(sys);

grid on;

sisotool(sys)

得到為補償前的BODE圖，根據自動控制理論，選取交越頻率為開關頻率的1/5～1/10，需要充足的相位裕量以避免發生震蕩，其中最佳相位裕量為低相位裕量將導致欠阻尼的系統響應，較高的相位裕量則導致過阻尼的系統響應。從圖3知不滿足環路穩定條件。

圖3 開環伯德圖

應用“SISOTOOL”工具欄可以方便配置補償器的零極點和增益，加入PID補償器實現兩大目標：一個是提高系統開環穿越頻率，即帶寬，這決定了系統的動態響應速度；另一個目標是增大系統的相位裕度，相位裕度決定系統動態響應幅度[4]。從圖4的補償BODE圖可知，開環傳遞函數的穿越頻率61.5Khz,相位裕度為60度，較好地實現了補償的目的。最后確定的補償器的傳遞函數為：

校正后的BODE如圖4所示：

圖4 帶補償器的開環伯德圖

3.2 Tustin變換

用MATLAB中c2d函數實現Tustin變換，得：

數字補償器= c2d(sys,0.00001,'tustin')

數字補償器以差分方程的形式可以寫成：

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

其中，U為補償器輸出的控制電壓，E為誤差電壓。n=當前采樣，n-1=前一次采樣，得到的差分方程即數字補償器的控制算法，通過ADP32中的程序實現。

4 同步整流技術

4.1 同步整流原理

同步整流技術（Synchronous Rectification）是指用導通電阻較低的MOSFET來替代整流二極管，從而達到降低整流損耗、提高效率的目的[2]。功率MOSFET屬于電壓型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系，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選型及時序

選用IR公司的IRF3207整流管，其中通態電阻RDS=3.3，VDSS=75V。為避免次級整流管與續流管同時導通，在PWM3與PWM4驅動時序上必須設定一定的死區時間，參照IRF3207手冊，其中：

根據整流管器件的延遲時間，設定死區時間為0.42us。

4.3 SR驅動波形

根據DSC中設計的一個專門死區單元，只要配置死區定時器預定標因子得到死區定時器的時鐘，最后配置死區定時器的周期m[3],就能得到死區時間為0.42us互補的PWM（3.3v）波形。經由ucc27324驅動電路。

4.4 DSC控制實現

軟件主要包括Main函數、ADC中斷、PID控制子程序，主程序完成ADC、PWM、定時器、PID等模塊初始化，然后等待ADC中斷的到來，檢測到中斷信號就進入相應的流程。程序流程如圖5所示：

本設計中，配置DSC的高速外設時鐘HSPCLK為75Mhz,定時器輸入時鐘預定標因子TPS=0，得到定時器T1，T2的時鐘TCLK=HSPCLK/2°=75Mhz,工作于連續增/減計數模式，設置T1PR=0x007D產生頻率為300Khz的載波頻率[5]，使能比較單元，配置CMPR1/CMPR2的值產生PWM1、PWM3、PWM4信號驅動MOS管。

數字PID運算在ADC中斷調用運行，輸出的與PWM占空比對應關系：

Vm為PWM斜坡電壓的AD值，F_PWM為寄存器T1PR的值，Avm為每一位AD值對應的PWM脈沖數。

圖5 程序流程圖

5 實驗結果

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

用示波器觀測MOS管柵極的驅動波形。

圖6 MOS管G極驅動波形

圖6左為功率管Q1/Q2柵極的驅動波形，頻率300K，幅度為12.0V，此時的占空比約為0.37。

圖6右為SR管Q3/Q4柵極的驅動波形，死區時間為0.42us。

6 結論

數字控制已成為電力電子研究領域的重要方向，基于DSC的控制技術在電力電子領域逐漸普及。本文采用DSC數字控制雙管正激拓撲，研究了數字PID補償算法，結合同步整流技術提高效率，而且還對DC/DC變換器的系統軟件設計、帶死區PWM產生策略等，最后用一臺200W實驗樣機驗證了設計正確性。

[1]陳新,Charlie Wu,W.Hutching等.基于DSC控制的數字功率因數校正模塊應用[J].電工技術學報,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.數字DC/DC開關電源環路補償器設計[J].計算機工程與應用,2010,46(34):70-73.

[4]曹藝,陳曉飛,等.用于DC/DC變換器的數字控制器的研究與設計[D].華中科技大學,2010:45-74.

[5]顧衛鋼,等.手把手教你學DSP-基于TMS320X281X[M].北京航空航天大學出版社.

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

黃嵩人（1972—），男，博士，研究員，研究方向：DSP芯片架構設計。

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