全数字电源设计

ADC
S/H
Reference
反馈
Rf1 Rf2
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Microchip dsPIC® DSC
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幻灯片 6
III型补偿器 （原极点 + 两个零点/极点对）
步骤1：确定系统传递函数
f p2 = f ESR
建立 闭环控制系统
– 电压模式 –
谐振频率fR下的双极点
交叉 频率fX
开关频率的 一半fSW/2
G(s) x H(s) 执行器 补偿器
ESR 频率fESR
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二阶系统（电压模式控制下的降压转换器）
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Zf
=1 s ⋅C2
(R2
+
s
1 ⋅ C1
)
Zi
= R1
1 s ⋅C2
步骤2：确定系统极点和零点
Gain (dB)
f z1 = 0.6 ⋅ fLC
f p0
90
Phase (o)
90
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幻灯片 7
累加器
数字III型（3p3z）补偿器的线性差分方程
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幻灯片 9
课程安排
回顾数字补偿器 用于优化电源转换器的非线性控制方法 功率因数校正改善 高级8位电源示例
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VOUT
反馈
Rf1 Rf2
幻灯片 5
数字实现
Reference
+
Error
-
Compensator Hc
System Plant Hsys
Output
VIN
Q1
Feedback Gain HFB
执行器
L
D1
VOUT
Co
Gate Driver
数字补偿器 + DPWM
DPWM
Digital Compensator
ADC
REF
–
2p2z/3p3z补偿 器
自适应和预测性 控制
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输出
全数字补偿框图 （峰值电流模式）
反馈输入
ADC
REF
–
2p2z补偿器
自适应和预测性 控制
斜率补偿
DAC
– CMP +
峰值电流 反馈输入
输出
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幻灯片 18
PWMx
ADC触发信号优化
生成的信号边沿与实际开关边沿之间的“不可见”传播延时会对控制器的PWM 信号发生器产生负面影响。当在较大的反馈斜坡内采样数值时，此相位滞后会
更加严重。
传播延时
测量误差
时间t 时间t
时间t
电感电流
PWM边沿 周期开始 ADC触发信号 50%斜坡高度
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PWM信号与反馈纹波之间
存在相移
CIN
R1
R2
L
Q1
Q2
输出
COUT
Ra
Rb
信号发生器
PWM 发生器
时钟
死区发生器
PWMxH PWMxL
t1 t2
控制环
nPmZ 补偿器
REF
ANx
–
ADC
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幻灯片 11
数字补偿器 框图
数字域的控制原理与模拟域完全相同 每个补偿器都可以替换为其等效的数字补偿器1
（II型 → 2p2z，III型 → 3p3z，IV型 → 4p4z等） 为了能够实时地优化/控制系统，需要额外的“手轮”
全数字补偿框图 （电压和平均电流模式）
反馈输入
控制
H(s)
补偿器
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反馈
幻灯片 20
补偿滤波器特性建模
补偿器设计和反馈环分析指闭环系统中的开环增 益G(s) x H(s)
H(s)会将反馈/控制增益添加到G(s)给出的执行器 增益中，以获得控制输入-输出增益GOL(s)（开环 增益）
Gol (s) = G(s)H (s)
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幻灯片 14
数字控制环时序示例
“传统”实现根据大约50%导通时间处的ADC触发信号来调用ADC中断服务程 序（ISR）内的控制环，这通常会在变化检测与响应之间引入一个开关周期的
延时（ZOH），进而造成∆Φ的相位裕量损失。
∆Φ = −360°× f X f sample
时间t
采样和转换
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幻灯片 3
控制器基础知识
控制过程：原理框图
Reference
+
Error
Compensator
Hc
-
Gcl
(s)
=
1
+
H c H sys H c H sys H
FB
Feedback Gain HFB
System Plant Hsys
参考：希望输出遵循的期望设定值
误差：（参考 – 反馈）的计算结果，控制器根据该值进行控制。
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幻灯片 13
数字控制环时序示例
触发信号A （50%直流时）
A/D采样和转换 （= 20个周期）
中断响应延时 （= 5个周期） 启动中断服务程序
引脚翻转 = 40 ns 计算和回写
（= 64个周期）
从中断返回 （= 3个周期）
（50 MIPS的工作速度）
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f z2 = f LC
f p3 = 0.5 ⋅ fsw
(s + 1 )⋅(s +
1
)
H (s) = Z f Zi
=
R1 + R3 R1 ⋅ R3 ⋅ C2
⋅
R2 s ⋅(s +
⋅ C1 C1
+
C2
(R1 + R3 ) ⋅ C3 )⋅(s + 1 )
R2 ⋅ C1 ⋅ C2
R3 ⋅ C3
反馈阻抗
输入阻抗
-40
增益-120特性相同 -40
-120
-50
-150
-50
-150
-60 100
1000
10000
频率[Hz]
-180 100000
-60 100
1000
10000
频率[Hz]
-180 100000
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幻灯片 22
此二阶电压模式控 制执行器的最终频 率特性应如右图所 示（绿线）
请注意，低频范围 与执行器开环特性 的差异尤为明显 （蓝线）
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幻灯片 19
补偿滤波器特性建模
使用小信号模型对系统响应进行建模
必须微调系统以对输入电压和负载瞬变以及注入 和辐射干扰进行补偿
REF
Σ
负载和输入瞬变
G(s)
执行器
Gcl
(s)
=
1
+
G(s) G(s)H
(
s)
输出
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c15l12aps幻灯片12数字补偿器框图?数字域的控制原理与模拟域完全相同?每个补偿器都可以替换为其等效的数字补偿器1ii型2p2ziii型3p3ziv型4p4z等?为了能够实时地优化控制系统需要额外的手轮ref输出反馈输入cmp峰值电流反馈输入adc2p2z补偿器斜率补偿dac自适应和预测性控制全数字补偿框图峰值电流模式ref输出反馈输入adc2p2z3p3z补偿器自适应和预测性控制全数字补偿框图电压和平均电流模式?2014microchiptechnologyincorporated
9V时： -18010110260VV时时：：
20V时：
65° → 72° 52° → 60° 43° → 53° 40° → 50°
10000 频率[Hz]
100000
6V#: Phase [°] 6V: Phase [°]
9V#: Phase [°] 9V: Phase [°]
12V#: Phase [°] 12V: Phase [°]
幻灯片 16
频域比较
增益[dB]
基于ADC触发信号的相位优化
- 同步降压转换器/VIN = 6.0 ...20V DC/VOUT = 3.3V/IOUT = 4,000 mA -
180
150
扩大了频率范围
120
90
60
相位改善：
30
-180°相位时的交叉频率从
约33 kHz升至51 kHz
0
增益裕量增大：
幻灯片 12
数字补偿器与模拟补偿器
由于控制系统基于采用附加零阶保持器（ZOH） 的采样数据，因此必须考虑随之引入的新影响并 加以补偿。这通常在软件中实现。
添加ZOH所带来的直接后果是：数字补偿器会对 相位裕量产生负面影响
反馈输入
REF
ADC
–
nPmZ补偿器
控制输出
自适应和预测性算法
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控制器：分为模拟或数字两类，也称为补偿器
系统：受控制的系统或执行器（SMPS、电机和执行器等）
输出：在本课程中以及对于SMPS来说，输出可以是电压或电流
反馈：输出信号的测量值
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Output
幻灯片 4
模拟实现
Reference
+
Error
-
Compensator Hc
System Plant Hsys
Output
Feedback Gain HFB
执行器
VIN
Q1
L
PWM Gate Driver
D1
Co
+ -
Comparator
C2 C1 R2
+
C3 R3 R1
Reference
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模拟III型补偿器 + PWM
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利用高级控制方法实现全数字控制 并设计混合控制回路
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幻灯片 1
课程安排
回顾数字补偿器 用于优化电源转换器的非线性控制方法 功率因数校正改善 高级8位电源示例
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幻灯片 2
课程安排
回顾数字补偿器 用于优化电源转换器的非线性控制方法 功率
时间t
PWMx
控制环
寄存器更新
回写
ADC触发信号 ADC ISR
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幻灯片 15
频域比较
增益[dB] 相位[°] 增益[dB] 相位[°]
ADC触发信号（50%导通时间处）
- VIN = 6.0 ...20V DC/IOUT = 4,000 mA -
MAC——指令
变量
X-RAM e(n) e(n-1) e(n-2) e(n-3) u(n-1) u(n-2) u(n-3)
指令：7
来自RAM
误差历史 记录
控制器 历史记录
u(n) =
A1 u(n-1) + A2 u(n-2) + A3 u(n-3) + B0 e(n) + B1 e(n-1) + B2 e(n-2) + B3 e(n-3)
REF
Σ
G(s)
输出
补偿器
H(s)
反馈
输入
输出
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幻灯片 21
一切均始于执行器 （电源滤波器）的执 行器增益特性
增益和相位的开环图 描绘了随频率变化的 滤波器特性曲线
必须按照执行器的开 环特性“调节”补偿 器，以在安全稳定的 工作区内实现最佳性 能
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幻灯片 10
用于优化电源转换器的 非线性控制方法
通用数字控制系统优化
重要注意事项 相位优化 ADC触发优化
自适应增益控制（AGC）
补偿器整形 零极点调制 扩展基本3P3Z控制环 性能和稳定性分析
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-30 6V时：
-19.6 dB → -23.6dB
-60 9V时： 12V时：
-16.1 dB → -20.5dB -13.1dB → -18.6dB
-90 16V时：
-10.2dB → -16.4dB
20V时：
- 9.5dB → -14.9dB
-120
相位裕量增大：
-150 6V时：
114° → 119°
16V#: Phase [°] 16V: Phase [°]
20V#: Phase [°] 20V: Phase [°]
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幻灯片 17
ADC触发信号优化
数字控制系统会忽视外部元 件的传播延时，进而导致 输入
数字控制器3P3Z系数计算公式
重要提示：请注意，所有系数均在特定采样频率下计算得出。如果更改采样频率，必须重新计算这 些系数。
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幻灯片 8
数字控制环实现
来自闪存或 RAM
系数
Y-RAM 系数B0 系数B1 系数B2 系数B3 系数A1 系数A2 系数A3
60
180
ADC触发信号（50%关断时间处）
- VIN = 6.0 ...20V DC/IOUT = 4,000 mA -
60
180
50
150
50
150
40
120
40
120
30
90
30
90
20
60
20
60
10
30