系統內響應的數控測量

利用數字電源解決方案，可完成應用中功率級頻率響應的測量工作，從而實(shí)現了諸多新增功能，如自動(dòng)調整、功率級故障診斷以及動(dòng)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(kāi)發(fā)時(shí)間和成本因素的制約。此外，負載對電源和響應有著(zhù)非?？量痰囊?。電源設計人員必須仔細研究構成功率級的不同組件，以滿(mǎn)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，又得花費數日的時(shí)間對不同工作條件下的電路進(jìn)行調整，以獲得負載響應的最佳折衷方案。

數控電源的出現使得工程師可以對環(huán)路補償進(jìn)行優(yōu)化。工程師進(jìn)行應用分析時(shí)也可使用環(huán)路補償機制。環(huán)路數據轉換器通過(guò)微調受控于數字脈沖寬度調制器 (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。數字系統可輔助分析，并可記憶不同線(xiàn)路和負載條件下最優(yōu)化的補償參數。應用時(shí)數字系統可通過(guò)鑒別其所記憶的線(xiàn)路和負載條件，對數字電源解決方案中的最優(yōu)化的補償參數進(jìn)行設置；或在遇到特殊的工作模式時(shí)，通知電源系統。

圖 1、測量頻率響應時(shí)兩個(gè)可能的激勵信號注入點(diǎn)（d1 和 d2）示意圖。

為了進(jìn)行電源環(huán)路分析，我們可以利用一個(gè)特定振幅和頻率的正弦波序列注入一個(gè)信號。通過(guò)將正弦波序列添加到控制環(huán)路的一個(gè)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(gè)地方，通過(guò)對注入序列的頻率進(jìn)行離散傅里葉變換 (DFT) 即可對注入序列的響應進(jìn)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 運算的正交結果計算得出。

利用數字電源控制器進(jìn)行環(huán)路分析

對反饋控制系統的頻率響應進(jìn)行測量的技術(shù)基本上是相同的，不管要測量的系統是連續時(shí)間模擬系統，還是離散時(shí)間數字系統。圖 1 顯示了注入激勵正弦波信號的兩個(gè)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，正弦波則以數字的形式添加到誤差計算的結果。誤差計算很簡(jiǎn)單，即數字電壓輸出和優(yōu)選電壓輸出等價(jià)數字輸出的差。以同樣方式可將 d2 添加到數字值中，以生成數字 PWM 的脈沖寬度。

對傳輸增益更為全面的分析可在本文結尾所列的多個(gè)完整參考書(shū)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(jìn)行了羅列。

圖 2、降壓轉換器的小信號交流傳輸函數衍生自本模型。

數字控制器設計

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

方程 1

如欲獲得典型值，請將各參數設置為：

這在 2.4MHz 時(shí)會(huì )產(chǎn)生零位功率級，并在 24.3kHz 處產(chǎn)生二階復極點(diǎn)，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(gè)二極點(diǎn)、二零位 (two-zero) 數字補償器。在本例中，補償器的零位均設置為 30kHz，并且極點(diǎn)設置為零（以構成一個(gè)積分器）和 300kHz。補償器的增益在 1kHz 處定義為 43dB。數字采樣速率設置為 700kHz 的 PWM 開(kāi)關(guān)頻率。

方程2

圖 3 顯示了典型系統的模擬開(kāi)環(huán)傳輸函數。我們可以使用該系統對圖 4 中定義的四個(gè)傳輸增益進(jìn)行求值。G/(1+GH) 線(xiàn)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(gè)大信號，以在測量點(diǎn)獲得小振幅，這個(gè)選項并不是特別理想。1(1+GH) 線(xiàn)跡在低頻率時(shí)增益較低，但是在高頻率時(shí)的增益等于或大于 1.0。同樣，我們可以看出，GH(1+GH) 線(xiàn)跡在低頻率時(shí)有良好的增益，但是在高頻率時(shí)增益則較低。最后，H/（1+GH）線(xiàn)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(jìn)行測量時(shí)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中顯示的降壓轉換器的模擬開(kāi)環(huán)傳輸函數擁有 42kHz 的開(kāi)環(huán)帶寬與 39.54 度的相位裕度。

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

Bode分析設計工具

通過(guò)采用 TMS320F2808 以及一種基于 PC 的設計工具，我們開(kāi)發(fā)了一款內電路環(huán)路分析系統，用于數字電信整流器的參考設計。PC 通過(guò)一個(gè) RS-232 接口與電源通信。電信整流器有三個(gè)可以利用內電路環(huán)路分析系統進(jìn)行分析的環(huán)路，即功率因數校正 (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，以在電源系統中對這三個(gè)環(huán)路進(jìn)行選擇。

對每一測量選項的開(kāi)環(huán) G(f)H(f) 進(jìn)行計算。

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

由于功率級補償器是數字形式的，測試程序可查詢(xún)數字控制器獲得補償器系數，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(kāi)環(huán)傳輸函數進(jìn)行因式分解，以計算功率級的傳輸函數。

進(jìn)行了這些測量和計算之后，用戶(hù)選擇顯示功率級頻率響應、數字補償器的頻率響應，以及開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統的頻率響應等。

在進(jìn)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 工具對補償器系數變化的結果進(jìn)行快速探察；由于補償器的數字性質(zhì)，因此其結果是確定性的。

數控電源分析的益處

數控電源環(huán)路分析在電源設計、制造以及系統工作期間是很有用的。類(lèi)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(luò )分析器，并調整補償網(wǎng)絡(luò )的電阻和電容，而數字電源設計人員則可以在虛擬空間中對補償條件進(jìn)行調節，以獲得最佳結果。同時(shí)，設計人員可確保補償器非常精確，沒(méi)有模擬組件的電路容差。

在制造過(guò)程中，每個(gè)電源都可基于功率級組件的特征進(jìn)行頻率響應的優(yōu)化，而不會(huì )受到預計變化的影響。這使得功率級組件有著(zhù)更為廣泛的應用性，而同時(shí)又不會(huì )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設計人員。系統設計人員可能會(huì )在不同組件周?chē)胖迷S多電容器，以協(xié)助旁路性能，或進(jìn)行局部能量存儲。在許多情況下，對電容的此類(lèi)濫用實(shí)際上會(huì )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(jìn)行調節的例子。增加電容后，系統的增益會(huì )減少，從而，頻率響應可能不符合系統要求。系統內頻率分析有助于對電源進(jìn)行重新補償，以適應該預料外電容 (unexpected capacitance)。如果未進(jìn)行該操作，則至少應做出標識，說(shuō)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(jìn)行補償調節會(huì )影響整流器的DC-DC閉環(huán)增益響應。

開(kāi)發(fā)前景

測量功率級傳輸函數的技術(shù)在存儲和混合整數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點(diǎn)，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(shí)驗室中對環(huán)路補償的測量和計算，轉化為工廠(chǎng)車(chē)間的生產(chǎn)，或終端客戶(hù)的應用。