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[導讀]電源行業(yè)目前正在從模擬控制向數(shù)字控制過渡，尤其是在高性能電源設計方面。事實上，數(shù)字控制器現(xiàn)在控制著服務器中使用的大多數(shù) AC/DC 電源。與模擬控制器相比，數(shù)字控制器提供了更大的靈活性和性能。但是那些從模擬控制切換到數(shù)字解決方案的人面臨著新的挑戰(zhàn)，其中連續(xù)信號由離散格式表示：1 或 0。在這個博客系列中，我將提供設計數(shù)字控制電源的實用指南。

電源行業(yè)目前正在從模擬控制向數(shù)字控制過渡，尤其是在高性能電源設計方面。事實上，數(shù)字控制器現(xiàn)在控制著服務器中使用的大多數(shù) AC/DC 電源。

與模擬控制器相比，數(shù)字控制器提供了更大的靈活性和性能。但是那些從模擬控制切換到數(shù)字解決方案的人面臨著新的挑戰(zhàn)，其中連續(xù)信號由離散格式表示：1 或 0。在這個博客系列中，我將提供設計數(shù)字控制電源的實用指南。

數(shù)字控制基礎

如圖 1 所示，模擬控制使用電阻器、電容器和運算放大器等分立元件來產(chǎn)生控制作用 u(t)。該輸出命令植物的輸出 y(t) 通過傳感器 H(s) 匹配參考 r(t)。

圖 1：模擬控制反饋系統(tǒng)

圖 2 顯示了一個典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，其中反饋信號 f(t) 被采樣并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后將其與參考進行比較以獲得數(shù)字誤差信號。數(shù)字補償器使用此誤差信號生成相應的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號來控制功率級。與圖1相比，控制原理相同，但實現(xiàn)方式不同：一個是連續(xù)的，另一個是離散的。

圖 2：數(shù)字控制反饋系統(tǒng)

一個設計實例

讓我們使用德州儀器的UCD3138控制器設計一個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器。

UCD3138是一款完全可編程的數(shù)字電源控制器，可在單芯片解決方案中提供卓越的集成度和性能。靈活的特性使其適用于各種電源轉(zhuǎn)換應用，包括功率因數(shù)校正 (PFC)、LLC 諧振轉(zhuǎn)換器、移相全橋等。此外，器件內(nèi)部的多個外設經(jīng)過專門優(yōu)化，可增強AC/DC 和隔離式 DC/DC 應用并減少組件數(shù)量。

圖 3 是UCD3138控制的升壓轉(zhuǎn)換器的框圖。信號接口很簡單：轉(zhuǎn)換器輸出電壓被衰減并連接到控制環(huán)路反饋輸入引腳。然后將其與內(nèi)部可編程參考進行比較以獲得錯誤。然后將錯誤發(fā)送到錯誤 ADC (EADC) 并進行數(shù)字化。然后，該數(shù)字誤差信號通過比例積分微分 (PID) 數(shù)字補償器，PID 的輸出生成相應的 PWM 占空比。所有的補償都是內(nèi)部的，不需要任何外部補償電路。

圖 3：UCD3138控制的升壓轉(zhuǎn)換器框圖

此外，UCD3138內(nèi)置了帶有可編程基準的模擬比較器，可用于實現(xiàn)快速過壓保護（OVP）。如果檢測到的 Vout 信號高于預定義的閾值，模擬比較器將被觸發(fā)，所有 PWM 信號將關閉以保護電源。輸入電壓也可以通過 ADC 測量，以實現(xiàn)輸入欠壓保護。

閉環(huán)

在談論回路控制時，極點/零點是模擬電力工程師的常用術語，但數(shù)字控制領域通常使用 PID。傳統(tǒng)的 PID 與UCD3138中的額外 ɑ 相結合，以提供二極二零數(shù)字補償器，如圖 4 所示。

圖 4：UCD3138 PID 結構

等式 1 計算此 PID 在 z 域中的傳遞函數(shù)：

K P、K I、K D和 ɑ 都是可編程的，可以隨時調(diào)整；這意味著可以根據(jù)運行條件動態(tài)改變控制回路以實現(xiàn)最佳性能。還支持非線性 PID 控制以實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應。

就像在模擬電源設計中一樣，控制回路設計的目標是找到正確的極點/零點，以使系統(tǒng)具有所需的回路帶寬和足夠的穩(wěn)定性裕度。以下是設計UCD3138控制回路的典型序列：

1. 導出功率級的小信號模型。

2. 選擇適當?shù)?/span> K P、 K I、 K D和 ɑ 以使環(huán)路具有所需的帶寬和足夠的穩(wěn)定性余量。

3. 將 K P、 K I、 K D和 ɑ加載到UCD3138并打開電源轉(zhuǎn)換器。

4. 微調(diào) K P、 K I、 K D和 ɑ 直到轉(zhuǎn)換器性能滿足我們所需的規(guī)格。例如，負載瞬態(tài)期間的 Vout 偏差應在特定范圍內(nèi)。