電源控制另辟蹊徑
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所面臨的挑戰
近年來(lái)，數字電源主要通過(guò)模仿使用數字部件的模擬方法來(lái)獲得可與成熟的模擬解決方案相媲美的動(dòng)態(tài)性能。但是電力社區希望數字電源能更有所作為，而不僅僅是復制模擬電源的性能。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(xiàn)性環(huán)路補償，并改善了 DC/DC 同步降壓轉換器的瞬態(tài)性能。
解決方案
在應用報告《基于 UCD91xx 的數字電源的數字補償器設計》[1]中闡述了數字補償電源的詳細情況。數字補償器的幾個(gè)關(guān)鍵組成部分是容錯 ADC、基于查詢(xún)表的 PID 控制器 (CLA) 以及數字脈寬調制 (DPWM) 模塊。EADC 轉換為一個(gè)數值 E，即差動(dòng)反饋電壓和理想輸出電壓之間的壓差。在數值 E 的基礎上，CLA 對控制占空比 U 的值進(jìn)行計算。數字脈寬調制模塊產(chǎn)生脈寬調制信號，用于轉換器開(kāi)關(guān)。
電壓環(huán)路控制器設計
就實(shí)施一個(gè)非線(xiàn)性控制來(lái)說(shuō)，設計線(xiàn)性數字控制器的目的是為了提供穩定狀態(tài)條件下的精確調節[1]。設計一旦完成，系數查詢(xún)表就會(huì )根據 E 的各種數值隨著(zhù)非線(xiàn)性增益的變化而變化。線(xiàn)性離散時(shí)間差異方程式中 B 的值為常數，該方程式如下：
查詢(xún)表是一個(gè) 3X17 的矩陣，矩陣每行開(kāi)頭均為數值 E 乘積項(見(jiàn)方程式 1)。3 列代表數值 E 的采樣數據，而 17 行代表其各自的乘積?？梢愿鶕x散 PID 參數 KP、KI 和 KD 將 CLA 表示出來(lái)。這些參數均與 b0、b1 和 b2 相關(guān)，具體關(guān)系表示如下：
此種方法被用于計算 b0、b1 和 b2 [1]。如果 b0、b1 和 b2 為已知，那么相應的 PID 增益就可以被計算出來(lái)。然后，非線(xiàn)性地改變這些 PID 增益，通過(guò)誤差電壓來(lái)完成該非線(xiàn)性系數表。
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(xiàn)性 PID 控制
非線(xiàn)性 PID 控制算法是由高志強 (Zhiqiang Gao) [2]提出的。非線(xiàn)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(xiàn)性比例增益 (
=1)，而 KP 則為非線(xiàn)性比例增益 (0<
<1)。當 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定狀態(tài)誤差、較好的干擾抑制以及穩健性。但是，小誤差高 KP 無(wú)法保持在一個(gè)寬頻率范圍內，因為系統噪聲敏感度增加了。因此，當系統接近穩定狀態(tài)時(shí)，KP 通常被限定在一個(gè)最大值。在穩定狀態(tài)附近添加一個(gè)積分控制器，這樣就可以在不增加系統噪聲敏感度的情況下消除穩定狀態(tài)誤差。
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另外，在大信號瞬態(tài)期間，穩定狀態(tài)附近更高的積分增益僅僅意味著(zhù)會(huì )出現飽和問(wèn)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(xiàn)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(guò)度敏感。微分控制器被集成在系統中，這樣使得在高誤差時(shí)其增益更高，以此來(lái)減少瞬態(tài)期間的過(guò)沖和振蕩。因此，組合 PID 控制器就變?yōu)椋?/P>
誤差小于一些小數值 ESM 時(shí)，TI 維持在其初始值 TI LN 上，而該值是基于線(xiàn)性設計計算得出的。誤差更大時(shí)，選擇一個(gè)更大的 TI 值來(lái)減少增益 (KP/TI)。這種方法可用來(lái)計算非線(xiàn)性 PID 參數，以及 CLA 查詢(xún)表的相應值。
實(shí)例設計
系統參數：
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(lái)設計一個(gè)連續控制器。該數字控制器系數計算結果為 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) 負載的輸出電壓瞬態(tài)響應。最大 VOUT 偏離為
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