設(shè)計(jì)一款基于DSP的數(shù)控DC-DC開關(guān)電源 (完整版)

設(shè)計(jì)一款基于DSP的數(shù)控DC-DC開關(guān)電源

第一部分：利用直接數(shù)字設(shè)計(jì)構(gòu)建 DC-DC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)
作者：Shamim Choudhury，德州儀器 (TI)
由于利用數(shù)字信號處理器 (DSP) 對電源進(jìn)行控制變得越來越發(fā)人深思，因此嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在數(shù)字控制環(huán)路的設(shè)計(jì)和實(shí)施中要處理許多相關(guān)因素。首先，準(zhǔn)確表示控制模塊和相關(guān)控制參數(shù)對模擬設(shè)計(jì)人員來說是至關(guān)重要的，以使他們能使用大家所熟悉的模擬控制設(shè)計(jì)方法實(shí)施基于 DSP 的數(shù)字控制技術(shù)。
但是要實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果卻需要很大的努力?；贒SP 的數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)更多的功能控制方案，多平臺的標(biāo)準(zhǔn)控制硬件設(shè)計(jì)，以及快速設(shè)計(jì)修改的靈活性，以滿足特定的客戶需求。
數(shù)字控制器不但不易受老化和環(huán)境變化的影響，而且還具有更好的噪聲抗擾度。此外，先進(jìn)的 32-位 DSP 控制器（如TMS320F280x，其具有實(shí)時(shí)的代碼調(diào)試功能），可使電源設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)字控制的優(yōu)勢，并且在不犧牲性能[2-4] 的情況下可以實(shí)施高帶寬、高頻率電源。此類處理器的超強(qiáng)計(jì)算能力還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性控制算法，將多轉(zhuǎn)換器控制集成到同一處理器中，并對總體系統(tǒng)成本進(jìn)行優(yōu)化。
不過，大部分熟悉模擬控制設(shè)計(jì)的電源工程師都面臨著新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄円谄湓O(shè)計(jì)中開始采用這些數(shù)字控制技術(shù)。
本文分詳細(xì)說明了基于 DSP 的數(shù)字控制設(shè)計(jì)和高頻率DC-DC 轉(zhuǎn)換器的實(shí)施，闡明了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制設(shè)計(jì)的兩種不同途徑：仿真設(shè)計(jì)和直接數(shù)字設(shè)計(jì)。
第一種方法，也就是仿真設(shè)計(jì)，即讓電源設(shè)計(jì)人員在其熟悉的 s-域中進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，然后將它轉(zhuǎn)換成分立/數(shù)字控制器；第二種方法，也就是直接數(shù)字設(shè)計(jì)，即在 z-域中直接進(jìn)行數(shù)字控制器設(shè)計(jì)。
首先從 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器以及一套給出的性能規(guī)范開始說起，本文討論了不同的控制模塊、不同的控制設(shè)計(jì)方法，并著重說明了和模擬方法相比，數(shù)字域控制設(shè)計(jì)的主要區(qū)別。
下文將對這兩種方法進(jìn)行詳述，首先在 MATLAB 中進(jìn)述，然后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)在 MATLAB 中還對采樣延遲和計(jì)算延遲的影響作了分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)一款基于 DSP 的數(shù)控 DC/DC 開關(guān)電源：第 2 部分
正如本指南中第 1 部分所提及的那樣，先前描述的仿真方法設(shè)計(jì)允許電源設(shè)計(jì)人員在其熟悉的S－域中進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，然后將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)分立/數(shù)字控制器。而這里所要講的第二種方法（即直接數(shù)字設(shè)計(jì)）則可以直接在Z－域中進(jìn)行設(shè)計(jì)，勿需轉(zhuǎn)換。
此方法的第一步是，將第 1 部分中的圖 1 重畫為下面的圖 6，以顯示包括采樣及保持影響在內(nèi)的所有該閉環(huán)控制系統(tǒng)的所有不同組件。
圖 6 DC-DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)控環(huán)路結(jié)構(gòu)圖
本方法中，片上 ADC 的采樣過程由一個(gè)帶采樣周期 Ts 的理想采樣器來表示。由于充分考慮了標(biāo)記為 Kd 的模塊中的 ADC 增益，并且在標(biāo)記為 Hc 的計(jì)算延遲模塊中包含了 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間，因此同 [7] 中給出的模型相比較，ADC 可以通過這種方式被表示出來。該片上 PWM 模塊作為一個(gè)保持器件。
將其表示為一個(gè)零階保持 (ZOH)，該 ADC 和 PWM 模塊一起構(gòu)成一個(gè)采樣及保持器件。這種采樣和保持行為的作用是引入一個(gè) Ts/2 的時(shí)間延遲或一個(gè)（歐米加）Ts/2 的相位滯后（如下圖 7 所示）。在此，以 Ts 的時(shí)間間隔對信號進(jìn)行采樣，然后通過 ZOH 對其重新構(gòu)建。重新構(gòu)建信號的目的是將該原始信號滯后（歐米加）Ts/2 弧度或者 180f/fs 度。