電源控制另辟蹊徑

　　所面臨的挑戰(zhàn)

　　近年來，數(shù)字電源主要通過模仿使用數(shù)字部件的模擬方法來獲得可與成熟的模擬解決方案相媲美的動(dòng)態(tài)性能。但是電力社區(qū)希望數(shù)字電源能更有所作為，而不僅僅是復(fù)制模擬電源的性能。我們將詳述用于獲得超出模擬電源性能的方法。這樣做的一個(gè)主要好處就是非線性環(huán)路補(bǔ)償，并改善了 DC/DC 同步降壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)性能。

　　解決方案

　　數(shù)控 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

　　在應(yīng)用報(bào)告《基于 UCD91xx 的數(shù)字電源的數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)》[1]中闡述了數(shù)字補(bǔ)償電源的詳細(xì)情況。數(shù)字補(bǔ)償器的幾個(gè)關(guān)鍵組成部分是容錯(cuò) ADC、基于查詢表的 PID 控制器 (CLA) 以及數(shù)字脈寬調(diào)制 (DPWM) 模塊。EADC 轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)值 E，即差動(dòng)反饋電壓和理想輸出電壓之間的壓差。在數(shù)值 E 的基礎(chǔ)上，CLA 對控制占空比 U 的值進(jìn)行計(jì)算。數(shù)字脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，用于轉(zhuǎn)換器開關(guān)。

　　電壓環(huán)路控制器設(shè)計(jì)

　　就實(shí)施一個(gè)非線性控制來說，設(shè)計(jì)線性數(shù)字控制器的目的是為了提供穩(wěn)定狀態(tài)條件下的精確調(diào)節(jié)[1]。設(shè)計(jì)一旦完成，系數(shù)查詢表就會(huì)根據(jù) E 的各種數(shù)值隨著非線性增益的變化而變化。線性離散時(shí)間差異方程式中 B 的值為常數(shù)，該方程式如下：

　　查詢表是一個(gè) 3X17 的矩陣，矩陣每行開頭均為數(shù)值 E 乘積項(xiàng)(見方程式 1)。3 列代表數(shù)值 E 的采樣數(shù)據(jù)，而 17 行代表其各自的乘積?？梢愿鶕?jù)離散 PID 參數(shù) KP、KI 和 KD 將 CLA 表示出來。這些參數(shù)均與 b0、b1 和 b2 相關(guān)，具體關(guān)系表示如下：

　　此種方法被用于計(jì)算 b0、b1 和 b2 [1]。如果 b0、b1 和 b2 為已知，那么相應(yīng)的 PID 增益就可以被計(jì)算出來。然后，非線性地改變這些 PID 增益，通過誤差電壓來完成該非線性系數(shù)表。

　　該方程式列出了比例增益 KP、積分增益 KI 以及微分增益KD[1]。

　　非線性 PID 控制

　　非線性 PID 控制算法是由高志強(qiáng) (Zhiqiang Gao) [2]提出的。非線性比例控制由下列方程式定義：

　　其中，sign (E) 表示誤差 E=(VREF- VOUT)，UP 為控制輸出，K 為線性比例增益 (

　　=1)，而 KP 則為非線性比例增益 (0<

　　<1)。當(dāng) 0<

　　<1 時(shí)，小誤差的增益 KP 更高，反之亦然。這樣有助于保持小穩(wěn)定狀態(tài)誤差、較好的干擾抑制以及穩(wěn)健性。但是，小誤差高 KP 無法保持在一個(gè)寬頻率范圍內(nèi)，因?yàn)橄到y(tǒng)噪聲敏感度增加了。因此，當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，KP 通常被限定在一個(gè)最大值。在穩(wěn)定狀態(tài)附近添加一個(gè)積分控制器，這樣就可以在不增加系統(tǒng)噪聲敏感度的情況下消除穩(wěn)定狀態(tài)誤差。

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　　另外，在大信號瞬態(tài)期間，穩(wěn)定狀態(tài)附近更高的積分增益僅僅意味著會(huì)出現(xiàn)飽和問題。同積分控制相關(guān)的 90 度相位滯后副作用被極大地最小化。因此，組合非線性比例積分控制器保留了對理想頻率范圍小誤差更高的敏感度，而且不會(huì)對高頻噪聲過度敏感。微分控制器被集成在系統(tǒng)中，這樣使得在高誤差時(shí)其增益更高，以此來減少瞬態(tài)期間的過沖和振蕩。因此，組合 PID 控制器就變?yōu)椋?/P>

　　誤差小于一些小數(shù)值 ESM 時(shí)，TI 維持在其初始值 TI LN 上，而該值是基于線性設(shè)計(jì)計(jì)算得出的。誤差更大時(shí)，選擇一個(gè)更大的 TI 值來減少增益 (KP/TI)。這種方法可用來計(jì)算非線性 PID 參數(shù)，以及 CLA 查詢表的相應(yīng)值。

　　實(shí)例設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)參數(shù)：

　　VIN=12V、VOUT=1.0V、IOUT=20A,

　　Kead=200、Kdiv=0.6234、fpwm=500 kHz、Kdpwm=8.751e-5

　　Rds1=2 mOhm、Rds2=0.55 mOhm、L=0.24µH、DCR=0.35 mOhm、R=2.4 mOhm

　　C1=376µF、C2=2820 µF、RC1=0.625 mOhm、RC2=0.83 mOhm、LC1=LC2=0

　　Td=0.24Tpwm

　　利用 fz="6".0 kHz、Qc=0.83 和 wk="2".8572e+6 來設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)控制器。該數(shù)字控制器系數(shù)計(jì)算結(jié)果為 b0=1101、b1=–2100 和 b2=1005。環(huán)路增益 Bode 圖顯示控制器保持了一個(gè) 83.0 kHz 的帶寬、70 度的相位裕度以及 5.4 dB 的增益裕度。從圖中可以看出 10A(10A~20A)階躍 (step) 負(fù)載的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)。最大 VOUT 偏離為