基于UCD3138的數字環路控制研究

程 立

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

近幾十年來，隨著電力電子技術和控制理論的飛速發展，電力電子產品得到了更為廣泛的應用。為了設計出效率高、成本低、可靠性高的電力電子產品，高頻化、軟開關技術和數字控制器已經成為了電力電子技術發展的主要趨勢。

高頻化是通過增大開關器件的頻率來實現提高電源的功率密度，減少變壓器的體積和成本。但是，高頻化后開關管的開通和關斷損耗隨之增加。在此基礎上軟開關技術能夠減少功率開關管的關斷損耗，但與此同時一般需要增加輔助電路來實現軟開關功能，加大了系統設計的復雜度。相對于模擬電源，數字電源具有設計周期短、靈活多變、易實現模塊化管理等優點。數字電源[1]通過軟件編程來實現環路控制以及狀態監控，具備可擴展性和重復使用性，用戶可以通過修改程序參數來實現多種環路設計。

本文采用UCD3138數字電源控制芯片實現移相全橋拓撲功能。UCD3138是一種高性能數字電源控制芯片，具備強大的數字控制和通訊功能，完全可編程。通過對環路的模-數轉換模塊ADC、數字脈沖調制模塊DPWM和環路補償器PID進行設計，減少對外圍無源器件的需求，降低參數漂移引起誤差的可能性，提高了環路控制響應的穩定性和可靠性，對實際環境中電源設計具有指導意義。

1 基于UCD3138的數字電源設計

移相全橋 DC-DC 變換器應用廣泛[2-3]，屬于軟開關電路的范疇。它的特點是電路簡單，同硬開關全橋電路相比，僅僅在高頻變壓器原邊增加一個諧振電感就使得電路中4個功率開關管均能實現 ZVS。

1.1 移相全橋拓撲分析

本文基于UCD3138控制芯片采用移相全橋拓撲設計[4-5]，實現輸入400 VDC，輸出12 VDC，電流30 A，滿載輸出時紋波不大于100 mV。本文移相全橋電源主要包括移相全橋拓撲和環路控制兩個方面。下文分別對這兩個方向進行分析。

本文采用的電路拓撲為移相全橋[6]，其拓撲網絡如圖1所示。

理想移相全橋功率開關管的驅動波形如圖2所示。

移相全橋 DC-DC變換器的每個工作周期可以分為 14個時區，其中t0～t7和t7～t0的工作過程完全相同，故下面主要討論t0～t7時間段變換器的工作過程。

t0～t1時間段：Q1與Q4同時導通，這段時間直流電壓源通過高頻變壓器對輸出電容充電。

t1～t2時間段：Q1關斷，Q1與Q2的寄生電容C1與C2參與工作，C1兩端電壓從0 V充電到Vbus，C2兩端電壓從Vbus到0 V。

t2～t3時間段：從t2時刻開始，Q2的續流二極管開始續流，直流電壓源不參與工作，輸出電容為負載供電。

t3～t4時間段：t3時刻關斷Q4，Q3和Q4的寄生電容C3和C4參與電路工作。

t4～t5時間段：從t4時刻開始，高頻變壓器開始強迫換流，副邊整流二極管全部導通，原邊不能向副邊傳遞能量，即出現占空比丟失的現象。

t5～t6時間段：在t5時刻，Q3的續流二極管開始續流，t6時刻高頻變壓器原邊電流將為0。

t6～t7間段：在t6時刻高頻變壓器原邊電流降為0后反向，Q2和Q3工作。

1.2 UCD3138控制芯片

UCD3138是Texas Instruments公司推出的一款數字電源控制芯片。UCD3138基于ARM7TDMI-S微控制器(32位，31.25MHz)，能夠進行實時電路參數采樣，通訊和環路配置。UCD3138具備高集成度、高可靠性和最低總系統成本等優點，并且能夠靈活支持大量控制方案和拓撲結構。

移相全橋環路控制主要包括環路補償和狀態監測兩個方面。UCD3138的控制核心是3個數字電源外設單元。每個單元可以根據8路DPWM輸出進行參數配置。它們包含差分誤差ADC(EADC)，兩個內置2極點和2零點PID控制補償器。數字控制環路結構圖如圖3所示。

UCD3138的數字控制核心是3個數字電源外設(DPP)，每個DPP都有一個專用高速的誤差模數轉換器(EADC)、基于PID的雙極點/雙零點數字補償器以及高精度DPWM輸出組成。同時，UCD3138內置267 ksps，12位的通用模-數轉換器(ADC)定時器，中斷控制器，JTAG調試和PMBus或UART通訊接口。UCD3138提供32 KB的編程flash、2 KB的數據flash、4 KB的RAM和4 KB的ROM。通用ADC能夠對整個電路節點的電源狀態進行監控，并且通過PMBus和UART與上位機進行實時通訊，實現電源單元在線測試。UCD3138主要通過PMbus與上位機進行通訊和固件燒寫，TI提供了相關PMbus協議，可以通過該協議對UCD3138電源功能進行擴展與補充。

2 環路控制分析與仿真

本文電路主要采用UCD3138控制芯片，其基本控制主要基于PID環路控制理論[7]。TI提供了上位機軟件可以對UCD3138環路參數進行簡單的設置和分析，同時對電源單元的狀態進行監控，其上位機軟件界面如圖4所示。

2.1 控制環路設計

PID控制理論是一個非常成熟的控制理論，具有結構簡單、易于實現等特點, 其控制器早已被廣泛應用于各類系統的控制中。本小節主要對UCD3138內置數字環路控制策略進行分析與仿真。UCD3138內置3路獨立PID控制模塊(control-law algorithm, CLA)，在z域的表達式為

(1)

通過雙線性變換得到s域公式為

(2)

上述公式有兩個零點和一個極點，K0K0是頻域原點的增益。

UCD3138的反饋環路內置一個低通濾波器，低通濾波器增加了一個極點。

(3)

閉環傳遞函數為

(4)

式(4)是移相全橋功率模塊電路的傳遞函數。根據式(4)得到UCD3138內部PID控制寄存器參數設置數值。

(5)

(6)

(7)

(8)

PID參數影響如下：其中增加KP推高兩個零點之間的增益，使其遠離；增加KI推高低頻段積分曲線，提供更高的低頻增益，第1個零點將往右移；增加KD將使第2個零點向左平移，但不影響第2個極點。UCD3138通過配置寄存器實現對PID反饋環路的控制，其PID濾波器采用二進制算法，其配置方式如圖5所示。

在濾波器下一級進行數值處理，其流程圖如圖6所示。

最后，將PID輸出與DPWM輸入相匹配，實現移相全橋PWM波輸出。

2.2 實驗仿真結果

根據上述控制原理，通過matlab的Simulink實現對移相全橋的電路仿真，如圖7所示。

觀測輸出，得到如圖8所示波形。對反饋環路進行波特圖分析，可以得到如圖9所示圖形。

通過圖9可以看出，通過環路補償，整個模塊的增益得到提高，且環路穿越頻率遠小于工作頻率，電源能夠穩定工作。依據上述硬件設計過程和軟件控制環路參數，搭建試驗樣機，編寫控制程序，對UCD3138數字電源模塊輸出電壓進行實驗驗證。通過實際電路應用，得到移相全橋控制波形如圖10所示。

圖10中，通道1、2、3、4分別為Q1、Q2、Q3、Q4控制波形，其時序滿足移相全橋工作條件，符合預期。電源啟動和關閉波形如圖11所示。電源波形建立穩態時間22 ms，關閉時由于負載電容的原因需要1.4 s。從建立穩態到關閉電源過程中，輸出電壓恒定，波形沒有較大波動，證明了電源在開關機時的穩定性。移相全橋輕載時輸出波形和紋波波形如圖12所示。

移相全橋滿載輸出波形和紋波波形如圖13所示。

圖12(a)和圖13(a)表明當負載從輕載變為滿載時輸出電壓波形浮動較小，電源輸出穩定；圖12(b)和圖13(b)表明當電源負載從空載變為滿載時其紋波大小始終在50 mV以內，遠小于輸出電壓12 V，動態負載和大功率負載情形下輸出波形失調小，輸出穩定，證明該控制環路調節效果好，滿足設計需求。

3 結束語

本文基于UCD3138對移相全橋拓撲進行了實驗驗證，對PID環路補償進行了分析與驗證，完成了符合要求的數字電源設計。實驗表明，本文設計的移相全橋輸出電源穩定，紋波較小，動態響應迅速，環路控制穩定，上位機控制簡便易行，是一款高性能、高效率的數字電源，具有良好的前景。