系統(tǒng)內(nèi)響應的數(shù)控測量

利用數(shù)字電源解決方案，可完成應用中功率級頻率響應的測量工作，從而實現(xiàn)了諸多新增功能，如自動調(diào)整、功率級故障診斷以及動態(tài)適應性。

一名電源設計人員需要完成很多繁雜的工作。就當前情況而言，電源設計人員的工作主要受到開發(fā)時間和成本因素的制約。此外，負載對電源和響應有著非?？量痰囊蟆ｋ娫丛O計人員必須仔細研究構(gòu)成功率級的不同組件，以滿足期望的功率傳輸和成本目標的要求。在設計人員找到組件的最佳折衷方案后，工程師必須能夠使這些組件在特定應用中發(fā)揮作用。為此，又得花費數(shù)日的時間對不同工作條件下的電路進行調(diào)整，以獲得負載響應的最佳折衷方案。

數(shù)控電源的出現(xiàn)使得工程師可以對環(huán)路補償進行優(yōu)化。工程師進行應用分析時也可使用環(huán)路補償機制。環(huán)路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過微調(diào)受控于數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器 (PWM) 的占空比，測定電源輸出中的干擾。環(huán)路控制組件提供了確定電源頻率特征所需的激勵和響應。數(shù)字系統(tǒng)可輔助分析，并可記憶不同線路和負載條件下最優(yōu)化的補償參數(shù)。應用時數(shù)字系統(tǒng)可通過鑒別其所記憶的線路和負載條件，對數(shù)字電源解決方案中的最優(yōu)化的補償參數(shù)進行設置；或在遇到特殊的工作模式時，通知電源系統(tǒng)。

圖 1、測量頻率響應時兩個可能的激勵信號注入點（d1 和 d2）示意圖。

為了進行電源環(huán)路分析，我們可以利用一個特定振幅和頻率的正弦波序列注入一個信號。通過將正弦波序列添加到控制環(huán)路的一個變量中，我們就可把該序列注入到反饋環(huán)路中。在環(huán)路中的另一個地方，通過對注入序列的頻率進行離散傅里葉變換 (DFT) 即可對注入序列的響應進行測量。如果 DFT 運算包括有正弦和余弦兩種要素，則響應的振幅和相位可從 DFT 運算的正交結(jié)果計算得出。

利用數(shù)字電源控制器進行環(huán)路分析

對反饋控制系統(tǒng)的頻率響應進行測量的技術(shù)基本上是相同的，不管要測量的系統(tǒng)是連續(xù)時間模擬系統(tǒng)，還是離散時間數(shù)字系統(tǒng)。圖 1 顯示了注入激勵正弦波信號的兩個可能位置，分別用 d1 和 d2 標出。圖 1 還顯示了測量激勵信號響應的可能位置，分別用 y、u、c、x 以及 e 標出。

若在 d1 位置注入激勵正弦波信號，正弦波則以數(shù)字的形式添加到誤差計算的結(jié)果。誤差計算很簡單，即數(shù)字電壓輸出和優(yōu)選電壓輸出等價數(shù)字輸出的差。以同樣方式可將 d2 添加到數(shù)字值中，以生成數(shù)字 PWM 的脈沖寬度。

對傳輸增益更為全面的分析可在本文結(jié)尾所列的多個完整參考書目中找到(1-6)。雖然如此，我們還是以表格的形式對圖 1 所示每一特定測量位置的不同增益進行了羅列。

圖 2、降壓轉(zhuǎn)換器的小信號交流傳輸函數(shù)衍生自本模型。

數(shù)字控制器設計

下面我們來定義一個如圖 2 所示的降壓轉(zhuǎn)換器級。對該轉(zhuǎn)換器而言，其小信號交流傳輸函數(shù)的方程如下：

方程 1

如欲獲得典型值，請將各參數(shù)設置為：

這在 2.4MHz 時會產(chǎn)生零位功率級，并在 24.3kHz 處產(chǎn)生二階復極點，Q 值為 1.68。定義增益的目的是為了模擬測量方法之間的差別；功率級的輸入為占空比的百分比率，輸出單位則為伏特 (V)。

控制器包括一個二極點、二零位 (two-zero) 數(shù)字補償器。在本例中，補償器的零位均設置為 30kHz，并且極點設置為零（以構(gòu)成一個積分器）和 300kHz。補償器的增益在 1kHz 處定義為 43dB。數(shù)字采樣速率設置為 700kHz 的 PWM 開關(guān)頻率。

方程2

圖 3 顯示了典型系統(tǒng)的模擬開環(huán)傳輸函數(shù)。我們可以使用該系統(tǒng)對圖 4 中定義的四個傳輸增益進行求值。G/(1+GH) 線跡的增益最低，在最佳情況下，其增益為 -20dB。這表明您應該注入一個大信號，以在測量點獲得小振幅，這個選項并不是特別理想。1(1+GH) 線跡在低頻率時增益較低，但是在高頻率時的增益等于或大于 1.0。同樣，我們可以看出，GH(1+GH) 線跡在低頻率時有良好的增益，但是在高頻率時增益則較低。最后，H/（1+GH）線跡是在補償器輸入端注入激勵信號，并在補償器輸出端對其進行測量時我們可看到的傳輸增益。在這種情況下，我們使用有最高測量增益的補償器中的增益。

圖 3、圖2中顯示的降壓轉(zhuǎn)換器的模擬開環(huán)傳輸函數(shù)擁有 42kHz 的開環(huán)帶寬與 39.54 度的相位裕度。

圖4、對圖 2 中所顯示的降壓轉(zhuǎn)換器模型進行四個測量選項的傳輸增益計算。

Bode分析設計工具

通過采用 TMS320F2808 以及一種基于 PC 的設計工具，我們開發(fā)了一款內(nèi)電路環(huán)路分析系統(tǒng)，用于數(shù)字電信整流器的參考設計。PC 通過一個 RS-232 接口與電源通信。電信整流器有三個可以利用內(nèi)電路環(huán)路分析系統(tǒng)進行分析的環(huán)路，即功率因數(shù)校正 (PFC) 電壓環(huán)路、PFC電流環(huán)路以及 DC-DC 電壓環(huán)路。我們定義了相關(guān)命令，以在電源系統(tǒng)中對這三個環(huán)路進行選擇。

對每一測量選項的開環(huán) G(f)H(f) 進行計算。

為突出該分析系統(tǒng)的特征，我們選擇了一個注入節(jié)點和一個響應測量節(jié)點。我們指定了分析中的開始頻率、停止頻率、頻率步進數(shù)、注入振幅、駐留采樣 (dwell samples) 數(shù)以及測量采樣數(shù)。PC 測試程序發(fā)送命令到數(shù)字控制器，測量每一頻率步進的頻率響應。在每一次測量結(jié)束時，數(shù)字控制器都會返回該頻率的兩個累加的正弦和余弦系數(shù)。PC 程序計算復開環(huán)傳輸函數(shù)，然后對該頻率的振幅和相位進行測繪。

由于功率級補償器是數(shù)字形式的，測試程序可查詢數(shù)字控制器獲得補償器系數(shù)，然后計算出補償器的準確頻率響應。一旦知道了補償器的頻率響應，將對開環(huán)傳輸函數(shù)進行因式分解，以計算功率級的傳輸函數(shù)。

進行了這些測量和計算之后，用戶選擇顯示功率級頻率響應、數(shù)字補償器的頻率響應，以及開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應等。

在進行了環(huán)路分析測量，并確定了模擬功率級的頻率響應后，可利用 Bode 工具對補償器系數(shù)變化的結(jié)果進行快速探察；由于補償器的數(shù)字性質(zhì)，因此其結(jié)果是確定性的。

數(shù)控電源分析的益處

數(shù)控電源環(huán)路分析在電源設計、制造以及系統(tǒng)工作期間是很有用的。類似于當前的模擬電源設計，電源設計人員確定了期望工作條件下的（數(shù)字）補償。不同之處在于，模擬電源設計人員在分析中使用網(wǎng)絡分析器，并調(diào)整補償網(wǎng)絡的電阻和電容，而數(shù)字電源設計人員則可以在虛擬空間中對補償條件進行調(diào)節(jié)，以獲得最佳結(jié)果。同時，設計人員可確保補償器非常精確，沒有模擬組件的電路容差。

在制造過程中，每個電源都可基于功率級組件的特征進行頻率響應的優(yōu)化，而不會受到預計變化的影響。這使得功率級組件有著更為廣泛的應用性，而同時又不會犧牲電源的頻率響應。

可能影響電源設計的主要因素之一是系統(tǒng)設計人員。系統(tǒng)設計人員可能會在不同組件周圍放置許多電容器，以協(xié)助旁路性能，或進行局部能量存儲。在許多情況下，對電容的此類濫用實際上會降低電源的頻率響應性能。

圖 5 顯示了添加不同電容到1-kW電信整流器的輸出端而不用對補償進行調(diào)節(jié)的例子。增加電容后，系統(tǒng)的增益會減少，從而，頻率響應可能不符合系統(tǒng)要求。系統(tǒng)內(nèi)頻率分析有助于對電源進行重新補償，以適應該預料外電容 (unexpected capacitance)。如果未進行該操作，則至少應做出標識，說明電源頻率響應可能不符合要求。

圖 5、增加不同的電容到1-kW電信整流器而不進行補償調(diào)節(jié)會影響整流器的DC-DC閉環(huán)增益響應。

開發(fā)前景

測量功率級傳輸函數(shù)的技術(shù)在存儲和混合整數(shù)編程中是非常有效的。若正確選擇了注入激勵信號和測量響應的節(jié)點，則該技術(shù)還具有很好的信噪比特征。最后，該測量技術(shù)可以使設計人員在實驗室中對環(huán)路補償?shù)臏y量和計算，轉(zhuǎn)化為工廠車間的生產(chǎn)，或終端客戶的應用。