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    全数字化控制开关电源的开发

    2006-04-18 中国电源情报网

    1.开发的背景
          近年来, 随着DSP等电子零件的小型化、高速化,开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化,使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能。开关电源市场中,从质量、交货期等方面,标准电源正在成长壮大。然而,电源的使用方法因系统不同而有所不同,所以现有状况是:对特制电源的需求很强烈。数字化控制开关电源集标准电源和特制电源的优点于一身。 
          迄今,笔者们以周围机能、输出电压控制等,信号部分的全部数字化“全数字化”为目标进行开发。全数字化控制在有几个数字化的结构中最具扩张性、灵活性,能在高水平上实现上述优点。 
          这篇论文首先比较研究普遍被接受的控制器的构成,提出全数字化领域的技术性课题,并且,针对DSP的全数字化控制电源试验机,以试验数据为基础进行考察。
    2.关于控制部分的数字化
    2.1模拟和数字化 
          在数字化来临之前,世界处于模拟时代。当时多数市场都是业界标准、单功能,处于基本性能、质量(以电视为例,是好的画面质量和使用寿命等)的竞争时代。并且,由于在制品完成时才确定商品价值,所以顾客不会提高价格,这就是“自我(生产厂家)完结型”。这之后,随着数字化的到来,竞争的领域发生了改变。基本性能、质量是商品价值的源流,所以这个竞争还会继续,但是,由标准向特制,由单功能向多功能发生了转变,这时的商品价值就会让顾客提高价格,转变为了“顾客完结型”。拥有这个数字化的特征的典型的例子就是个人电脑。 
          开关电源的本质是电力转换器,基本性能、质量的竞争以后仍将继续。但这不是唯一重要的。电源的使用方法是由顾客决定的,因系统不同而各不相同。因此,现有的状况就是:顾客有强烈的特制的要求。数字化所持有的“特制”、“多功能”、“顾客完结型”的特征正能解决这个问题。此外,还有依靠数字通信的数字化机器的融合,依靠数字化控制、信号处理的技术革新。因为应用了这些,就能期待性能、质量的提升以及超越素有的既成概念的用途范围的扩大。
    2.2控制结构的比较 
          模拟控制方法适用于频率高、电力小、功能少的开关电源。然而,要完全满足顾客的要求是有难度的。因此,现在在电源系统设计过程中,在电源外部增加回路,或在一定程度上妥协于性能、质量,使其最大程度发挥作用。这种努力努力证明应用数字化技术,在电源内部应对,效率好。微型多用计算机和模拟控制的结构特征是:逻辑等的周边机能和模拟控制部分的定数调整实现软件化。然而,既然应用模拟IC,灵活性就是有限的。例如,如果要改换力部的拓扑(topology位相数学)就需要替换模拟IC,并且每次都有必要检查周边回路。与之相比,依靠DSP的全数字化控制结构中,PMW发电机能够生成任意的电流,就没有必要更换IC了。此外,全数字化容易使周围部件集成化、小型化,因此很有用。
    应答的高速性也是一个弱点,如果是开关的频率为数百千赫的电源,与模拟相比,也能有毫不逊色的反应速度。更进一步说,控制方式应用了现代控制理论,因此会有超出模拟控制的特性。 
          目前,有反应、消费电量的问题,但考虑到近年来装置的迅速发展,全数字化控制方式定能成为最佳的方式。
    2.3全数字化控制的技术性课题 
          控制部分的全数字化存在两大技术性问题。一是输出电压分解能的问题。其原因在于:数字PWM发电机应用了如图2所示的计算器,这种构成情况下,出现了依据计数器时钟Tclk的时间刻度。图3表示输出电压分解能特性。这幅图设计了3.3伏输出电压的电源式样,一台变频器。Tclk是25ns(40兆赫兹的时钟周期)。Vi是输出电压。根据此图,输出电压分解能与输入电压及开关频率数有很大关系,输入电压是48伏开关频率数为40万赫兹时,△vo(pls)为96毫伏。输出电压为3.3伏的电源,就有2.9℅的分解能,看出来这是很糟糕的。 
          另一个问题就是输出电压应对特性。历来的模拟控制的开关电源,一个开关周期中承载波与操作量u的比值决定冲击电流。因此,PWM的更新与开关周期Tswitching相连。与此相对,数字化控制的情况下,用A/D转换器得出输出电压,进行演算,更新操作量需要时间。这个时间为控制时间Tcontrol。如图4所示关于用承载波的流量值更新操作量u的系统。这种情况下,图4(a)所示控制时间比开关周期短,这并不存在问题,但是,图4(b)所示如果控制时间比开关周期长,因为电流幅度被更新的周期达到了开关周期的2倍以上,应对性能就会恶化。
    考虑到这些问题,就有必要开发设计新制品。
    3.智能控制的例子 
          由于全数字化,智能PWM控制就可能实现。利用这个,就有可能改善输出电压分解能的问题。为了清晰易懂地验证这个问题,我们让输出电压控制的基准电压Vref平缓地浮动,观察此时的输出电压对应波形。 
          图5表示分解能改善前的全数字控制的输出电压对应波形。改善前,约有100毫伏的震动,这是因为PWM发电机的分解能低于输出电压的A/D转换部分的分解能。图6表示分解能改善后全数字控制的输出电压对应波形。采用独自的控制手法PCP控制,32倍改善了PWM发电机的分解能,由于能够优于A/D转换部的分解能,所以并没有震动现象。 
          此外,应用近似的2自由度技术的Robust控制器,可能提升负荷急变特性。在力部与控制系统的周波数都相同的条件下,比较一下历来的控制与控制。图7表示历来的模拟控制DC-DC转换器下的负荷急变波形。以前,输出时一被连接陶瓷电容等的ESP小电容,就有振动的倾向。与之相比较,根据图8所示,Robust控制时,反应的高峰受到控制,即使输出连接了陶瓷电容,也没那么容易发生振动。通常,被连接到开关电源负荷的迂回电容容量值因系统不同而有所不同。由于应用了这个Robust控制技术,就不再依靠与负荷相连接的迂回电容的容量值了,能提供稳定的负荷急变特性。
    4.全数字控制电源试制机的开发 
          已经生产了图9所示的全数字控制绝缘DC-DC转换器的试制机。这个试制机是应用DSP制成的。基本方式是输入电压48伏、输出为3.3伏25安,有一本书的四分之一那么大,与以往的模拟控制DC-DC转换器相比,达到了足够广阔的范围。 
          此外,图10所示的装置是非同期串行通信(SCI),可能与PC通信。这个装置由电源试制机和接口IC数件的周边零件及PC构成。 
          为了实现PC与电源试制机间的通信,开发了图11所示的软件。应用了这个软件,制品的模型名与串行号信息、电源试制机内部的电压、电流、温度的实时信息就能在PC上表示出来。此外,用软件上的TRM改变DC-DC转换器的输出电压指令值,电源试制机的输出电压就可变。今后,要考虑过电压保护、过电流保护、加热保护的值,以及增加输出电压的上升、下降等可变机能。
    5.今后的展望 
          这次制作的试制机,因为DSP的功能还不充分,随着任务的增加控制特性就会恶化。引进最新的DSP,致力于输入全部指令的情况下的高度控制。此外,由于DSP的高速化正急剧发展,将会能够执行更多的任务。我们将再接再厉,研究开发更具价值的开关电源。




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