设计数字控制电源

[导读]电源行业目前正在从模拟控制向数字控制过渡，尤其是在高性能电源设计方面。事实上，数字控制器现在控制着服务器中使用的大多数 AC/DC 电源。与模拟控制器相比，数字控制器提供了更大的灵活性和性能。但是那些从模拟控制切换到数字解决方案的人面临着新的挑战，其中连续信号由离散格式表示：1 或 0。在这个博客系列中，我将提供设计数字控制电源的实用指南。

电源行业目前正在从模拟控制向数字控制过渡，尤其是在高性能电源设计方面。事实上，数字控制器现在控制着服务器中使用的大多数 AC/DC 电源。

与模拟控制器相比，数字控制器提供了更大的灵活性和性能。但是那些从模拟控制切换到数字解决方案的人面临着新的挑战，其中连续信号由离散格式表示：1 或 0。在这个博客系列中，我将提供设计数字控制电源的实用指南。

数字控制基础

如图 1 所示，模拟控制使用电阻器、电容器和运算放大器等分立元件来产生控制作用 u(t)。该输出命令植物的输出 y(t) 通过传感器 H(s) 匹配参考 r(t)。

图 1：模拟控制反馈系统

图 2 显示了一个典型的数字电源控制系统，其中反馈信号 f(t) 被采样并通过模数转换器 (ADC) 转换为数字信号。然后将其与参考进行比较以获得数字误差信号。数字补偿器使用此误差信号生成相应的脉宽调制 (PWM) 信号来控制功率级。与图1相比，控制原理相同，但实现方式不同：一个是连续的，另一个是离散的。

图 2：数字控制反馈系统

一个设计实例

让我们使用德州仪器的UCD3138控制器设计一个简单的升压转换器。

UCD3138是一款完全可编程的数字电源控制器，可在单芯片解决方案中提供卓越的集成度和性能。灵活的特性使其适用于各种电源转换应用，包括功率因数校正 (PFC)、LLC 谐振转换器、移相全桥等。此外，器件内部的多个外设经过专门优化，可增强AC/DC 和隔离式 DC/DC 应用并减少组件数量。

图 3 是UCD3138控制的升压转换器的框图。信号接口很简单：转换器输出电压被衰减并连接到控制环路反馈输入引脚。然后将其与内部可编程参考进行比较以获得错误。然后将错误发送到错误 ADC (EADC) 并进行数字化。然后，该数字误差信号通过比例积分微分 (PID) 数字补偿器，PID 的输出生成相应的 PWM 占空比。所有的补偿都是内部的，不需要任何外部补偿电路。

图 3：UCD3138控制的升压转换器框图

此外，UCD3138内置了带有可编程基准的模拟比较器，可用于实现快速过压保护（OVP）。如果检测到的 Vout 信号高于预定义的阈值，模拟比较器将被触发，所有 PWM 信号将关闭以保护电源。输入电压也可以通过 ADC 测量，以实现输入欠压保护。

闭环

在谈论回路控制时，极点/零点是模拟电力工程师的常用术语，但数字控制领域通常使用 PID。传统的 PID 与UCD3138中的额外 ɑ 相结合，以提供二极二零数字补偿器，如图 4 所示。

图 4：UCD3138 PID 结构

等式 1 计算此 PID 在 z 域中的传递函数：

K P、K I、K D和 ɑ 都是可编程的，可以随时调整；这意味着可以根据运行条件动态改变控制回路以实现最佳性能。还支持非线性 PID 控制以实现快速瞬态响应。

就像在模拟电源设计中一样，控制回路设计的目标是找到正确的极点/零点，以使系统具有所需的回路带宽和足够的稳定性裕度。以下是设计UCD3138控制回路的典型序列：

1. 导出功率级的小信号模型。

2. 选择适当的 K P、 K I、 K D和 ɑ 以使环路具有所需的带宽和足够的稳定性余量。

3. 将 K P、 K I、 K D和 ɑ加载到UCD3138并打开电源转换器。

4. 微调 K P、 K I、 K D和 ɑ 直到转换器性能满足我们所需的规格。例如，负载瞬态期间的 Vout 偏差应在特定范围内。