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数字化控制电路在高频开关电源设计中的应用伍召清

发表时间：2020/1/9 来源：《电力设备》2019年第19期作者：伍召清

[导读] 摘要：近年来，我国科学技术水平逐渐提升，自动化、数字化技术革新进程逐渐加快，其中系统电源对整个系统的安全、稳定运行来说起到了非常重要的作用，可以有效的实现电源高频化，提升电源运行稳定性与灵活性。

        (湖南工业大学湖南株洲 412007)
        摘要：近年来，我国科学技术水平逐渐提升，自动化、数字化技术革新进程逐渐加快，其中系统电源对整个系统的安全、稳定运行来说起到了非常重要的作用，可以有效的实现电源高频化，提升电源运行稳定性与灵活性。对此，本文对数字化控制电路在高频开关电源设计中的应用进行了简单研究，介绍了数字化控制与高频电源开关工作原理，根据工作原理阐述了开关软件设计技术，并以BUCK转换器为基础提出了高频电源设计模型，进而保证电路运行稳定性。
        关键词：数字化控制；电路；高频开关；电源设计
        一、基础概述
        （一）数字化控制概述
        数字化控制主要通过现代化数字信息技术对机械设备的运行全过程进行控制。同时，数字化控对传统制造业改革、发展来说起到了非常重要的作用，可以有效的实现机电一体化产品，并做好机电一体化产品的信息处理、加工、传输、控制等工作，提升产品质量，满足各领域使用需求。
        （二）高频开关电源工作原理
        开关电源主要是指电路中的电力电子设备在开关状态下工作的电源。在运行期间具备高频、直流、开关等条件。其中，设备开关主要指系统在运行时的状态，而，高频主要是指工作在高频状态的电力电子设备，直流是直流电输出的电流。在接通电源开关时，电路会逐渐换成，形成直流电压，之后再通过逆变器进行直流电压控制，进而形成高频交流方波脉冲电压。其中，逆变器需要在输出过程中通过隔离变压器进行隔离来转换为交流电压，最后转换为直流输出电压。
        （三）数字化控制在高频开关电源中应用的重要性
        1.保证电源开关可靠性
        数字化控制对电源开关的控制来说可以有效保证电流传输的稳定性与安全性。这主要数字化控制设备中的模拟组件较少，因此，在实际运行期间可以有效的保证处于无障碍的情况下运行。比如说，数字化控制器，在实际运行期间可以通过电流的反馈回路来消除补偿网络。其中，与模拟器相比，数字信号处理器对工作环境的影响较小，抗干扰能力强，使用时不易老化。此外，数字控制器还可以通过预警和监视功能提高系统可靠性。例如，它可以通过有效地监视系统的温度控制来减小电流极限值，或者通过打开风扇来有效地降低风扇和电源上的压力，从而提高系统可靠性并消除对设备规格的其他要求。
        2.提升电源开关灵活性
        该数字控制器不仅具有高稳定性，同时也有着较高的灵活性，可以保证电流可以灵活传输。在传统的控制模拟器中，主要通过系统控制、调整、组件更改等形式来对电路控制，这在一定程度上增加了电路运行时长。而数字化控制器主要用过软件编程的形式对电路进行控制，还可以根据电路运行状况进行仿真实验，从而提高了设计工作的灵活性。如果电源的性能发生变化，需要对数字化控制系统进行修改，根据电源行进行电路设计、布线和构造型；在修改数字控制器的过程中，可以通过编程参数对其进行添加、删除和修改，以大大缩短设计周期。例如，无需对硬件进行修改即可满足不同处理器的规格，就可以有效地编程相同的调压器型号。此外，数字控制器还可以集成通信功能，因此可以有效地实现不同系统的继承和级联。
        二、数字化控制电路在高频开关电源设计中的应用
        开关电源的使用寿命主要取决于模块内部的温度，而温度升高则取决于模块的工作效率。目前，中国市场上使用的开关电源一般以脉宽调制技术为主要技术，其英文缩写为PWM。其中，硬PWM控制的开关电源在使用过程中存在一定的缺陷，会在增加工作频率的过程中影响器件的质量和尺寸，也将大大增加高频下的开关损耗环境。因此，高频开关电源设计时，要做好电路工作频率的控制工作，保证电路频率处于稳定状态，只有这样才能保证设计工作可以顺利进行下去。另外，还要做好PWM开关电源损耗的控制工作，要确保开关电源处于导通状态。但是，导通损耗主要是由新加载的开关中存储的寄生电容能量的突然变化引起的。在关断过程中，漏感中的电压会尖峰值。而尖峰值是由di/dt的电压引起的。为了确保对开关装置的应力的有效控制，需要缓冲电路，并且缓冲电路在很大程度上也遭受能量损失。
        （一）数字补偿器设计
        数字化控制电路在高频开关电源设计中应用时，还有必要建立电源模型，在相关区域中设置一个连续模型，然后对其进行有效离散化，然后在Z区域中设计一个离散模型。在直接数字设计过程中，在Z区域中执行数字控制器中离散模型的综合设计。此外，在此转换过程中将有多种离散化方法。Z区域中存在用于离散模型设计的更多直接数字设计方法。由于不同的方法将产生不同形式的控制器模型，并且控制器模型的控制性能也将存在较大差异，因此需要针对数字补偿器设计方法进行针对性的设计，以根据实际情况进行设计。
        在模拟控制过程中，必须根据动态响应性能要求采取有效的控制策略，主要包括双环电流型控制，单环电压型控制和V2型控制。另外，在数字控制期间，有必要基于模型转换器有效地转换检测到的量，以将其转换成数字量，然后根据控制算法实施有效的调整规则。因此，在模拟控制过程中使用的控制算法仍可以在数字控制期间有效地应用。其中，电压型数字控制器仅需要通过ADC检测输出电压的变量并执行控制链路的有效设计即可。因此，分析和设计过程相对简单，可以有效地实现数字控制器。它是该领域最早的高频开关电源数字控制器。在电流型数字控制器中，需要更多的ADC，并且控制算法和控制环路相对复杂。为了更好地将数字控制器应用于高频开关电源，必须优化性能并提高其整体速度。
        （二）信号模型建立
        状态空间平均法主要是指在转换器运行过程中，基于不同的拓扑状态空间方程，进行不同程度的处理，从而得到信号特性小的数学模型，并以此为基础，有效构造了短路模型。而短路模型在使用中具有很大的应用价值。
        通常，在模拟电压类型控制过程中，主要设置放大器的电阻和电容以有效地控制补偿器。由于需要通过使用模拟控制经验来完成数字控制律的设计，因此PID算法即使在主导地位也具有广泛的数字控制应用效果。此外，在主流ADC体系结构中，有逐次逼近寄存器类型，闪存类型等。就电路复杂度和转换速度而言，不同的构造各有其优缺点。其中，闪光灯结构主要是比较器，用于以一定分辨率测量模拟信号。闪存架构的速度相对较快，主要是因为转换过程可以在一个周期内完成，但结构相对复杂，需要更多的比较器，如图1所示。

        图1.架构图
        逐次逼近寄存器架构主要使用比较器在不同的周期中逐位完成转换过程。
        （三）软件流程设计
        系统软件主要包括中断程序和主程序两部分。主程序主要实现系统的有效初始化，有效地检测电源开关，初始化程序，然后进入主程序循环以等待中断。此外，硬件初始化包括禁用中断，偏置电路，设置CPU级中断屏蔽寄存器以及清除所有CPU级中断标志寄存器。如果CPU在中断请求过程中对特定的中断请求有更大的不确定性，则为了提高CPU区分外围事件的能力，有必要在发生不同的外围中断请求时生成中断向量。该向量与外设中断向量寄存器有更大的关系，并被加载到该寄存器中。中断程序主要包括NMI中断子程序，TI中断子程序等，其中从电压中读取采样值，执行数字滤波，并执行控制算法以启动当前的AD转换工作以实现周期性中断中的稳压控制。
        总结：与模拟控制技术相比，数字控制技术具有优势，并且在高频开关电源的设计和应用中起着重要作用。但是，在工作期间增加开关电源的频率会增加数字控制器的技术压力和成本。因此，需要有效地优化和改善高频开关电源数字控制器中的不同技术环节，以提高高频开关电源数字控制器的质量。
        参考文献:
        [1]刘真.基于DSP的反激式数字开关电源的设计与研究[D].中南大学,2010.
        [2]王跃林.基于DSP的全数字通信高频开关电源的研究与设计[D].中南大学,2014.
        [3]何穆楠.采用DSP控制的电动汽车无线充电系统高频电源设计与制作[D].北京交通大学,2018.
        [4]周唯.基于STM32和检相电路的双闭环超声频率跟踪系统的研究设计[D].北京交通大学,2015.