数字化控制电路在高频开关电源设计中的应用

数字化控制电路在高频开关电源设计中的应用

高文晶

天津七六四通信导航技术有限公司天津市300210

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，在我国科学技术的发展过程中，自动化技术革新较快，其中系统电源对整个系统的正常运行尤为重要，具有较高的稳定性与安全性。以此实现电源高频化，需要通过软开关技术来实现，使数字化控制电路在高频开关电源设计中有较为广泛的应用。因此，将对开关电源工作原理进行有效分析，阐述开关软件的软开关技术，以此在BUCK变换器的基础上构建具有较高稳定性的移相全桥变换器的小信号模型。

关键词：数字化；控制电路；高频开关电源

引言

直流操作系统开关电源是发电厂、变电站中重要的二次设备之一。目前该电源采用高频开关电源模块并联运行的模式，但由于开关电源模块开关频率高，电流大，会存在较大的开关损耗和电磁干扰，为了更好的改善其特性，软开关技术应运而生，同时由于控制技术进步和微处理器的高速发展，目前直流操作系统开关电源正朝着软开关技术和数字化智能化控制技术相结合的方向发展。

1开关电源的工作原理

开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源,它必须同时具备这样三个条件:开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)。开关电源电路中的整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容C1滤波后得到直流电压ui,再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。逆变器输出经高频变压器T隔离并变换成适当的交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压uo.

2ZVZCS的工作原理

移相全桥软开关电路的软开关方式分为ZVS和ZCS以及他们的组合，其基本思想为通过电路中的电感，电容发生谐振实现电压和电流的过零，在此时开关管通断即可实现零电压和零电流开关。一般地，基于经典移相全桥ZVS超前臂有足够的谐振能量实现零电压开通，而滞后臂由于在开通时变压器原边电流比较小，其副边整流二极管同时形成续流回路而相当于是短路状态，所以只有较小的电感参与谐振很难实现ZVS，而且存在着较大的占空比损失。

3高频开关电源数字控制器

3.1数字控制策略

在模拟控制过程中，需要在动态响应性能要求的基础上采用有效的控制策略，主要有双环电流型控制、单环电压型控制以及V2型控制等。此外，在数字控制期间，需要在模型转换器的基础上有效转变检测量，以将其转换成数字量，再根据一定的控制算法实施有效的调节规律。所以，在模拟控制过程中使用的控制算法在数字控制期间依然能够有效应用。其中，电压型数字控制器只需通过ADC检测输出电压一个变量，并进行控制环节的有效设计。所以，分析设计过程相对简洁，可有效实现数字控制器，是该领域研究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使用较多的ADC，且控制算法和控制环路相对繁杂，为了实现在高频开关电源中较好地应用数字控制器，需要优化性能，全面提高其速度。

3.2数字控制系统软件流程

系统软件主要有主程序和中断程序两大部分。主程序主要是完成系统初始化，开关机检测，开关机初始化，然后进入主程序循环等待中断。硬件初始化作包括偏置看门狗电路；禁止中断(取TM=1)；设置符号扩展模式(SXM=1)；清零所有的CPU级中断标志寄存器(IFR)；设置CPU级中断屏蔽寄存器(IMR)等。当CPU接受中断请示时,它并不知道是哪一个外设事件引起的中断请求。因此，为了让CPU能够区别这些引起中断的外设事件，在每个外设中断请求有效时都会产生一个唯一的外设中断向量，这个外设中断向量被装载入外设中断向量寄存器(PIVR)里面。中断程序包括Tl周期中断子程序、Tl下溢中断子程序和NMI中断子程序(NMI中断由NMI屏蔽寄存器管理)。在周期中断程序中完成读取电压采样值,数字滤波,实施控制算法，启动电流AD转换等工作,周期中断中完成稳压控制。

3.3数据采样模块

数据采样模块不断循环采集输出电压和电流信号，为了满足系统输出控制精度和电压纹波的要求，A/D采样器频率设置为20kHz，选用连续采样3次取平均值作为一次采样的数据，增加采集的精度，所采得的数据按顺序存放于一个数组中为后期处理做准备。

3.4数字控制算法

所有控制方法均需要控制算法提升其控制规律。比如，在模拟电压型控制过程中，一般主要是设置放大器电阻和电容值，以有效控制补偿器。由于在对数字控制规律进行设计的过程中需要借鉴模拟控制经验来完成，因此PID算法在数字控制中具有较为广泛的应用效果，甚至处于主导地位。此外，在主流ADC架构中，有逐次逼近寄存式、闪速式等。不同构建在电路复杂性和转换速度方面具有各自的优缺点。其中，闪速构建主要是比较器以一定的分辨率对模拟信号实施测量。闪速式架构速度相对较快，主要是因转换过程可在一个周期内完成，但是结构相对复杂，需要使用较多比较器。逐次逼近寄存式构架主要是使用比较器在不同周期内逐位完成转换过程，其中只需一个比较器与n位数模拟转换器DAC，但需n个比较周期才能达到n位分辨率，转换过程较长，且在反馈环路中引入了较大的相位延迟。

4数字化控制电路优势

1)可靠性数字控制器与传统模拟控制器相比具有较高的可靠性，其中数字控制器中模拟元器件使用相对较少，所以可以有效增加系统中平均无故障工作时间，如有数字控制器构成的反馈环路中省去了补偿网络。其中，数字信号处理器与模拟器相比，工作环境影响因素相对较小，且具有较高的抗干扰能力，在使用过程中不易老化。此外，数字控制器能够通过预警、监视等功能提升系统工作可靠性。比如，能够通过有效监视系统温控全面降低电流限制值，或者通过打开风扇的方式有效降低对风扇、电源器的压力，提升系统可靠性，消除对器件规格的额外要求。2)灵活性数字控制器不但具有较高的稳定性，而且具备灵活性。传统模拟控制器主要是对元件参数值进行有效调节与改变来实现其控制规律，会浪费一定的资源，且周期设计相对较长。数字控制器主要是根据软件编程进行控制规律的修改，还能够根据分句仿真验证，提高设计工作的灵活性。若电源性能发生了改变，在对模拟控制器进行修改的过程中，需要对电路、布线以及刻板等实施重新设计；在对数字控制器进行修改的过程中，能够通过编程增加、删除以及修改控制参数，以大大缩减设计周期。比如，能够在不对硬件进行修改的情况下，对同一个电压调节器模型实施有效编程，以满足不同处理器的规格需求。此外，数字控制器还能集成通信功能，所以可有效实现不同系统的继承和级联。

结语

数字化控制技术与模拟控制技术相比具有优势，在高频开关电源设计与应用过程中凸显出重要地位。但是，开关电源在工作中提升其频率，会增加数字控制器的技术压力和成本投入。所以，需要有效优化与改进高频开关电源数字控制器中的不同技术环节，提高高频开关电源数字控制器质量。

参考文献

[1]杨思俊.基于DSP数字化开关电源研究设计[J].自动化与仪器仪表，2017，（2）：39-41.

[2]王红旗，万各各.一种高压可调高频开关电源设计方案[J].河南理工大学学报（自然科学版），2018，（3）：112-117.

[3]韩春娟.开关电源数字化控制技术研究[J].科学技术创新，2017，（9）：71.