利用數(shù)字電源解決方案，可完成應(yīng)用中功率級(jí)頻率響應(yīng)的測(cè)量工作，從而實(shí)現(xiàn)了諸多新增功能，如自動(dòng)調(diào)整、功率級(jí)故障診斷以及動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

一名電源設(shè)計(jì)人員需要完成很多繁雜的工作。就當(dāng)前情況而言，電源設(shè)計(jì)人員的工作主要受到開發(fā)時(shí)間和成本因素的制約。此外，負(fù)載對(duì)電源和響應(yīng)有著非?？量痰囊?。電源設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)研究構(gòu)成功率級(jí)的不同組件，以滿足期望的功率傳輸和成本目標(biāo)的要求。在設(shè)計(jì)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(yīng)用中發(fā)揮作用。為此，又得花費(fèi)數(shù)日的時(shí)間對(duì)不同工作條件下的電路進(jìn)行調(diào)整，以獲得負(fù)載響應(yīng)的最佳折衷方案。

數(shù)控電源的出現(xiàn)使得工程師可以對(duì)環(huán)路補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化。工程師進(jìn)行應(yīng)用分析時(shí)也可使用環(huán)路補(bǔ)償機(jī)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(cè)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(lì)和響應(yīng)。數(shù)字系統(tǒng)可輔助分析，并可記憶不同線路和負(fù)載條件下最優(yōu)化的補(bǔ)償參數(shù)。應(yīng)用時(shí)數(shù)字系統(tǒng)可通過鑒別其所記憶的線路和負(fù)載條件，對(duì)數(shù)字電源解決方案中的最優(yōu)化的補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；或在遇到特殊的工作模式時(shí)，通知電源系統(tǒng)。

圖 1、測(cè)量頻率響應(yīng)時(shí)兩個(gè)可能的激勵(lì)信號(hào)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(hào)。通過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，通過對(duì)注入序列的頻率進(jìn)行離散傅里葉變換 (DFT) 即可對(duì)注入序列的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。如果 DFT 運(yùn)算包括有正弦和余弦兩種要素，則響應(yīng)的振幅和相位可從 DFT 運(yùn)算的正交結(jié)果計(jì)算得出。

利用數(shù)字電源控制器進(jìn)行環(huán)路分析

對(duì)反饋控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)基本上是相同的，不管要測(cè)量的系統(tǒng)是連續(xù)時(shí)間模擬系統(tǒng)，還是離散時(shí)間數(shù)字系統(tǒng)。圖 1 顯示了注入激勵(lì)正弦波信號(hào)的兩個(gè)可能位置，分別用 d1 和 d2 標(biāo)出。圖 1 還顯示了測(cè)量激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)的可能位置，分別用 y、u、c、x 以及 e 標(biāo)出。

若在 d1 位置注入激勵(lì)正弦波信號(hào)，正弦波則以數(shù)字的形式添加到誤差計(jì)算的結(jié)果。誤差計(jì)算很簡單，即數(shù)字電壓輸出和優(yōu)選電壓輸出等價(jià)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(duì)傳輸增益更為全面的分析可在本文結(jié)尾所列的多個(gè)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(duì)圖 1 所示每一特定測(cè)量位置的不同增益進(jìn)行了羅列。

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

數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

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

方程 1

如欲獲得典型值，請(qǐng)將各參數(shù)設(shè)置為：

這在 2.4MHz 時(shí)會(huì)產(chǎn)生零位功率級(jí)，并在 24.3kHz 處產(chǎn)生二階復(fù)極點(diǎn)，Q 值為 1.68。定義增益的目的是為了模擬測(cè)量方法之間的差別；功率級(jí)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(shù)字補(bǔ)償器。在本例中，補(bǔ)償器的零位均設(shè)置為 30kHz，并且極點(diǎn)設(shè)置為零（以構(gòu)成一個(gè)積分器）和 300kHz。補(bǔ)償器的增益在 1kHz 處定義為 43dB。數(shù)字采樣速率設(shè)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(duì)圖 4 中定義的四個(gè)傳輸增益進(jìn)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(yīng)該注入一個(gè)大信號(hào)，以在測(cè)量點(diǎn)獲得小振幅，這個(gè)選項(xiàng)并不是特別理想。1(1+GH) 線跡在低頻率時(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）線跡是在補(bǔ)償器輸入端注入激勵(lì)信號(hào)，并在補(bǔ)償器輸出端對(duì)其進(jìn)行測(cè)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(cè)量增益的補(bǔ)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(duì)圖 2 中所顯示的降壓轉(zhuǎn)換器模型進(jìn)行四個(gè)測(cè)量選項(xiàng)的傳輸增益計(jì)算。

Bode分析設(shè)計(jì)工具

通過采用 TMS320F2808 以及一種基于 PC 的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。PC 通過一個(gè) RS-232 接口與電源通信。電信整流器有三個(gè)可以利用內(nèi)電路環(huán)路分析系統(tǒng)進(jìn)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(duì)這三個(gè)環(huán)路進(jìn)行選擇。

對(duì)每一測(cè)量選項(xiàng)的開環(huán) G(f)H(f) 進(jìn)行計(jì)算。

為突出該分析系統(tǒng)的特征，我們選擇了一個(gè)注入節(jié)點(diǎn)和一個(gè)響應(yīng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。我們指定了分析中的開始頻率、停止頻率、頻率步進(jìn)數(shù)、注入振幅、駐留采樣 (dwell samples) 數(shù)以及測(cè)量采樣數(shù)。PC 測(cè)試程序發(fā)送命令到數(shù)字控制器，測(cè)量每一頻率步進(jìn)的頻率響應(yīng)。在每一次測(cè)量結(jié)束時(shí)，數(shù)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(shù)。PC 程序計(jì)算復(fù)開環(huán)傳輸函數(shù)，然后對(duì)該頻率的振幅和相位進(jìn)行測(cè)繪。

由于功率級(jí)補(bǔ)償器是數(shù)字形式的，測(cè)試程序可查詢數(shù)字控制器獲得補(bǔ)償器系數(shù)，然后計(jì)算出補(bǔ)償器的準(zhǔn)確頻率響應(yīng)。一旦知道了補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)，將對(duì)開環(huán)傳輸函數(shù)進(jìn)行因式分解，以計(jì)算功率級(jí)的傳輸函數(shù)。

進(jìn)行了這些測(cè)量和計(jì)算之后，用戶選擇顯示功率級(jí)頻率響應(yīng)、數(shù)字補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)，以及開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)等。

在進(jìn)行了環(huán)路分析測(cè)量，并確定了模擬功率級(jí)的頻率響應(yīng)后，可利用 Bode 工具對(duì)補(bǔ)償器系數(shù)變化的結(jié)果進(jìn)行快速探察；由于補(bǔ)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(shè)計(jì)、制造以及系統(tǒng)工作期間是很有用的。類似于當(dāng)前的模擬電源設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)人員確定了期望工作條件下的（數(shù)字）補(bǔ)償。不同之處在于，模擬電源設(shè)計(jì)人員在分析中使用網(wǎng)絡(luò)分析器，并調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容，而數(shù)字電源設(shè)計(jì)人員則可以在虛擬空間中對(duì)補(bǔ)償條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得最佳結(jié)果。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可確保補(bǔ)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(gè)電源都可基于功率級(jí)組件的特征進(jìn)行頻率響應(yīng)的優(yōu)化，而不會(huì)受到預(yù)計(jì)變化的影響。這使得功率級(jí)組件有著更為廣泛的應(yīng)用性，而同時(shí)又不會(huì)犧牲電源的頻率響應(yīng)。

可能影響電源設(shè)計(jì)的主要因素之一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)在不同組件周圍放置許多電容器，以協(xié)助旁路性能，或進(jìn)行局部能量存儲(chǔ)。在許多情況下，對(duì)電容的此類濫用實(shí)際上會(huì)降低電源的頻率響應(yīng)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(duì)補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)節(jié)的例子。增加電容后，系統(tǒng)的增益會(huì)減少，從而，頻率響應(yīng)可能不符合系統(tǒng)要求。系統(tǒng)內(nèi)頻率分析有助于對(duì)電源進(jìn)行重新補(bǔ)償，以適應(yīng)該預(yù)料外電容 (unexpected capacitance)。如果未進(jìn)行該操作，則至少應(yīng)做出標(biāo)識(shí)，說明電源頻率響應(yīng)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(bǔ)償調(diào)節(jié)會(huì)影響整流器的DC-DC閉環(huán)增益響應(yīng)。

開發(fā)前景

測(cè)量功率級(jí)傳輸函數(shù)的技術(shù)在存儲(chǔ)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(lì)信號(hào)和測(cè)量響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，則該技術(shù)還具有很好的信噪比特征。最后，該測(cè)量技術(shù)可以使設(shè)計(jì)人員在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)環(huán)路補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量和計(jì)算，轉(zhuǎn)化為工廠車間的生產(chǎn)，或終端客戶的應(yīng)用。