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数字电源控制器应该怎样去设计?---之一

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世纪电源网雪花
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  • 2017-6-8 15:37:06
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。

111.jpg

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。

112.png

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:

113.jpg

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。

114.png

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

115.jpg

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。

116.png

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]。

117.jpg



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