解电源控制器
理解开关电源的非线性性质 ■开关电源是一个反馈环路,但这反馈环路有两点非常独特的性质: ▶环路中的转换器为一个非线性模块,即使使用了开关周期评价的方法,将 开关切换等价成了线性平均,其依然不是一个线性模块; ▷这个问题导致了开关电源的2个特点:一是非线性,二是存在开关噪声。 ▷后面会详细的讨论这2个特点。 ▶系统会饱和,严格来说,这并不是开关电源独有的问题,但是开关电源的 饱和会有灾难性的后果,因此必须仔细的避开饱和区域。 ▷比如电感电流过大后,会导致磁芯饱和,其结果是灾难性的,为了避开这个饱和 区域,必须对电感电流进行检测,一旦进入危险区,立即复位转换器。 深入理解开关电源的设计 ■一提到环路,很多人会条件反射的运用反馈,自控等理论来分析和设 计,但对开关电源来说不行,因为开关电源中的各个模块都有其非线 性的一面。 ▶下图示出了转换器可能会位于的3个区域,为了方便,将非饱和区直接命名 为非线性区。 ▷转换器如果处于饱和区,转换器会损坏,因此,必须禁止进入此区域,一个合理 的做法是在非线性区内临近饱和区的区域设置警告区域,一旦进入,立即重启转 换器。 ▷非线性区域内的线性区是通过小信号等效得到的,需要控制器提供合理的偏置, 并且限制变量变化的幅度,才能使其能等效成线性区。 换一个角度理解开关电源 ■当开关电源处于稳态时,此时如果环路的变量的变化符合小信号假设, 那么可以认为系统处于线性区,此时可以利用线性系统的方法来设计。 ■当开关电源上电时,或者虽然在稳态,但环路变量的变化很大,不符 合小信号假设,那么此时系统处于非线性区,此时不能直接利用线性 系统的方法来设计。 ▶非线性系统的设计方法不像线性系统那么成熟,流派很多,也不容易理解, 在本文档中将针对电源系统进行讨论。 ■无论如何,系统都不能进入饱和区,因此,饱和区的设计实际上就是 检测转换器中的关键变量,当变量值超阈值时,自动复位转换器。 控制器设计基本流程 ■控制器设计是整个开关电源设计的核心,下图示出了控制器设计的3个 任务:饱和区域处理,大信号设计和小信号设计。
控制器的结构 ■根据前面的分析,可知控制器实际上包含3部分: ▶DSP:当转换器处于线性区时,激活这部分工作; ▶Nonlinear Ctrl:当转换器处于非线性区时,激活这部分工作,DSP将不响应 环路误差,完全听从于NLC; ▶Guard:当转换器处于警告区时,激活这部分工作,完全接管DSP和PXM。 数字电源控制器的设计 ■从前面的控制器结构可以看到,使用数字电路设计这一部分是非常方 便的。 ▶数字电路的设计三要素:输入,输出,功能。 ▶用前面的控制器结构模型,可以非常清晰的定义出这三要素。 ■如果使用模拟电路,势必难以割裂这三个部分,控制器的设计将变成 一个非常依赖经验和技巧的任务。 数字电源控制器的设计 ■目前找到的书籍和资料都只强调控制器在线性区工作的设计,而不强 调非线性区的设计。 ■这个误区的原因可能在于以往的控制器都用模拟电路实现,而模拟电 路是很难实现丰富的非线性控制的。如今使用数字控制后,非线性区 控制可以做得很好。 控制器的线性区设计
环路建模工具 ■环路建模工具就是matlab,通常的做法是建立M文件,然后在M文件中 输入各个模块的传递函数,利用matlab进行相乘(串联),连续转离 散,离散转离散等操作,得到高级环路模型。 ▶高级环路模型是指将环路简化为几个基本模块后的结构,这些结构能被 matlab工具箱sisotool所支持。 ▶下图为sisotool支持的所有结构: DSP设计工具 ■DSP参数确定可以使用matlab自带的sisotool工具,这个工具能够根据 要求得到传递函数。得到传递函数后,再将传递函数化为PID和LPF系 数。 ■因为我们采用的是平台化的控制方法,因此可以将传递函数通过特定 的公式转成PID和LPF系数。 电压控制环路 ■画出整个环路的模块,如下图: ▶其中K表示输出电压反馈时的缩放系数。 ▶PWM和Convertor的本质可以理解为一个DA,或者将PWM视为DA,将 convertor视为输入模拟量(0-100%),输出模拟电压的一个装置。
电压控制环路离散模型 ■为了使用sisotool,将电压控制环路画成如下的形式。 ▶环路设计的工作就是使用Sisotool在已知G和H的情况下求C 采样频率和固有延 ■要将模拟模块处理成离散模块,首先要确定的就是采样频率,在这个 环路里面,唯一能作为标准采样频率的就是开关管的切换频率fs。 ▶PWM的周期也为Ts。 ▶固定采样频率后,所有的延迟都只能是Ts的整数倍。 ■此系统为LTI系统,可以将所有的延迟集中到一起,此时如果延迟不是 一个整Ts,必须人为加上延迟,凑够Ts的整数倍。 ▶将延迟分离后,所有的模型都视为和其传递函数表达式是完全相同的: ▷DSP,输入数据,0延迟立即输出数据,输入X[k-1],X[k],立即得到Y[k]。 ▷忽略ADC的量化误差后,ADC变成一个理想采样开关+ZOH,这个ZOH制造了1/2 倍转换时间的延迟。 ★注意ADC的转换延迟并不是等于转换时间,而是等于1/2转换时间。 PWM和转换器的延迟 ■PWM和转换器合力完成如下工作: ▶在周期的起始,PWM接收占空比信号D,输出持续一个周期的PWM波形, 在这个周期的结束点,输出电压反映了上一个周期的电压+当前周期占空比 的影响。 ■由此可见,如果在周期的末尾采样输出电压的话,PWM和转换器合起 来有1个周期的延迟。 ▶有些资料上将PWM直接等效为一个ZOH,这样是存在问题的,因为ZOH只 有半个周期的延迟,这样处理的前提是要求ADC在Ts/2的位置采样,并假 设Ts/2处采样的值等于周期平均值。 ▷这个问题的根源是没有考虑开关电源的特殊性,而是将开关电源的等效模型当成 真实模型来用了,认为PWM+转换器是一个输入模拟量d,输出稳定电压V的装置。 PWM和转换器的延迟 ■PWM和转换器合力完成如下工作: ▶在周期的起始,PWM接收占空比信号D,输出持续一个周期的PWM波形, 在这个周期的结束点,输出电压反映了上一个周期的电压+当前周期占空比 的影响。 ■由此可见,如果在周期的末尾采样输出电压的话,PWM和转换器合起 来有1个周期的延迟。 ▶有些资料上将PWM直接等效为一个ZOH,这样是存在问题的,因为ZOH只 有半个周期的延迟,这样处理的前提是要求ADC在Ts/2的位置采样,并假 设Ts/2处采样的值等于周期平均值。 ▷这个问题的根源是没有考虑开关电源的特殊性,而是将开关电源的等效模型当成 真实模型来用了,认为PWM+转换器是一个输入模拟量d,输出稳定电压V的装置。 环路延迟的处理 ■前面讨论过,转换器的输出电压在一个周期内是变换的,因此,ADC 在何时采样就很关键了,假设电压在一个周期内是逐渐稳定的,那么 理想的采样点是上一个占空比D刚刚结束,下一个占空比还未更新时。 ■按照这个思路,环路延迟(包括PWM的ZOH’等)=2Ts ▶理想无延迟状况是采样V[k-],产生D[k],决定V[k+],现在是采样V[k-2], 决定V[k]。
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