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數字技術在開關電源控制中的應用和發展

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月19日  

1.前言


隨著電力電子技術的高速發展,開關電源得到了廣泛應用,而日新月異的高科技產品也對開關電源提出了更高的要求。開關電源的模擬控制技術也發展了很多年,各方面都比較成熟,但其無法克服固有的缺點:控制電路復雜,元器件比較多,不利于小型化的發展;控制電路一旦成型,很難修改,調試不方便;控制不靈活,復雜的控制方法也難以用模擬方法實現。


2.數字控制技術的發展現狀


現在實現開關電源的數字控制重要有以下兩種方法[1]:第一種是單片機通過外接A/D轉換芯片進行采樣,采樣后對得到的數據進行運算和調節,再把結果通過D/A轉換后傳到pWM芯片中,實現單片機對開關電源的開關電源間接控制(如下圖所示)。如下圖所示這種方法的技術目前已經比較成熟,設計方法容易掌握,而且對單片機的要求不高,成本比較低。但是控制電路由于要用多個芯片,電路比較復雜;單片經過A/D和D/A轉換,有比較大的時延,勢必影響電源的動態性能和穩壓精度。也有單片機集成了pWM輸出,但開關電源往高頻化發展,一般單片機的時鐘頻率有限,出現的pWM輸出頻率和精度反比,無法出現足夠頻率和精度的pWM輸出信號。第二種是通過高性能數字芯片如DSp對電源實現直接控制,數字芯片完成信號采樣AD轉換和pWM輸出等工作,由于輸出的數字pWM信號功率不足以驅動開關管,需通過一個驅動芯片進行開關管的驅動。這樣就可以簡化控制電路的設計,由于而這些芯片有比較高的采樣速度(TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成一次AD轉換只需500ns,最快的8位單片機也要最快也要幾微秒)和運算速度,可以快速有效的實現各種復雜的控制算法,實現對電源的有效控制,有較高的動態性能和穩壓精度。但是DSp芯片結構復雜,成本比較高;而且DSp控制技術比較難掌握,對設計者要求比較高,在開關電源領域中難以廣泛應用。目前DSp技術已經在開關電源中開始應用,但重要局限在對電源性能要求高的而且價格比較昂貴的領域上。


3.一種新穎的電源控制技術


數字控制的開關電源不可防止地存在以下問題:AD轉換器的速度和精度成反比。為了保證開關電源有較高的穩壓精度,AD轉換器是必須有比較高精度的采樣,但高精度的采樣要的AD轉換時間更長。作為反饋環路的一部分,AD轉換時間過長必然造成額外的相位延遲時間。除了和模擬控制存在的相位延遲以后,轉換過程的延遲時間必然也會造成額外相位滯后,使得回路的響應能力變差。和模擬芯片用RC補償進行pI調節的方法相同,在控制回路中用引入pI調節的方法以提高控制回路的響應能力,這種做法要占有數字芯片較大的系統資源,因為數字控制和模擬控制不同,信號采樣不是持續不斷的,而是離散的,兩次采樣之間有一段間隔時間,這段時間的值是無法得到的。要實現精確的控制,每次采樣之間的時間間隔不能太長,即采樣頻率不能太低。作為數字芯片,每次AD轉換結束后,得到的結果都會被送到系統的中央運算處理器中,然后由處理器對采樣的值進行運算和pI調節。在采樣頻率比較高的時候,這種做法比較耗費系統資源,對數字芯片的要求也比較高。由于目前專門用于電源控制的數字芯片還比較少,在要求比較高的場合一般都會用DSp芯片,其運算和采樣速度快,功能強大,但價格比較高。而且DSp芯片不是專門的電源控制芯片,一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高。


隨著數字芯片和電源技術的發展,現在出現了為電源控制而開發出來的控制處理器,它不同于數字芯片的中央處理器??刂铺幚砥髦匾筛咚貯D轉換器,數字pID補償器和數字pWM輸出三部分組成。反饋環路的控制由它來完成,中央處理器作為管理模塊應用在電源上。其原理圖如圖3所示:


圖1控制環路處理器原理圖


控制處理器由高速A/D轉換器,數字pID補償器和數字DpWM輸出組成。外部存儲器記錄了控制處理器的相關程序。高速A/D轉換器是基于CMOS的傳輸延遲時間td影響輸入電壓VDD的原理做成的,VDD電壓和傳輸時間是成近似的反比例關系,即VDD越大,信號傳輸延遲時間越小。如圖2所示,以CMOS的輸入電壓VDD作位采樣電壓的輸入口,各信號之間的傳輸時間延時td受采樣電壓VDD影響。第四分之三個采樣周期過后采樣結束位出現高電平,開始記錄q1到q8的輸出,把得到的結果送入編碼器得到數字輸出e,完成A/D轉換。如圖2b所示,數字采樣值為11111100.VDD越大,td越小得到的采樣值越大。


高速AD轉換器原理圖及其波形


而傳統的ADC轉換器時通過有源器件建立采樣信號的,要一個信號建立時間,而要進行高精度的采樣則要更長的信號建立時間。采用新的技術大大降低了AD轉換要的時間,可以達到MHz級采樣頻率。高采樣頻率可以使DpWM的信號的更新速度達到幾百納秒一次,實現和模擬控制類似通過不斷更新pWM信號來進行穩壓。不要像傳統的ADC采樣那樣,在有限的采樣頻率內通過提高AD轉換精度和pWM分辨率,降低開關頻率來提高穩壓精度。DpWM時鐘由處理器系統時鐘通過鎖相邏輯環路(pLL)進行倍頻后頻率可以達到200MHz.通過這種分辨率高達5ns的DpWM控制信號,電源開關頻率可以達到1MHz.數字補償器為電源設計供應很大的靈活性,控制參數通過外部存儲器的程序來設定,可以通過編程來改變控制策略,調試更方便。由于芯片是專門為電源設計開關,簡化了結構,降低了成本。相信這種專門為電源設計開發的控制處理器將會得到廣泛使用。


目前使用這種控制技術的芯片還比較少,SiliconLabs的Si8250就是其中一款[3].Si8250采用雙處理器的方法,所有的通信和管理任務由系統管理處理器來完成,而控制處理器負責反饋的環路控制。系統控制環路由一個6位采樣頻率為10MHz的AD轉換器,可以每隔100ns更新一次數字pWM輸出信號,以達到更好的穩壓效果。在而數字pID補償器里面分別為p,I,D的系數Kp,KI和KD供應寄存器,只要改變這些系數的值就可以改變pID控制策略。pID的值通過寄存器設定,習慣進行模擬控制芯片設計的工程師也容易掌握。供應六路相位不同的數字pWM輸出,可以用比較簡單的方法實現移相控制等多中控制方法。數字pWM的時鐘頻率在25MHz,50MHz和200MHz中選擇,分辨率高達5ns.可以使開關頻率達到100MHz.


5結語


和模擬控制相比,數字控制有著明顯的優勢。但由于目前大部分數字芯片并不能完全滿足開關電源的要求,而能達到要求的昂貴的DSp芯片又過于昂貴,所以數字控制技術在電源領域中的應用并不廣泛。隨著控制處理器技術的提出,用于電源控制的數字芯片的出現,數字控制技術在開關電源中必將得到更廣泛的使用。


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