设计一款基于DSP的数控DC-DC开关电源 (完整版)

设计一款基于DSP的数控DC-DC开关电源

第一部分：利用直接数字设计构建 DC-DC 转换器系统
作者：Shamim Choudhury，德州仪器 (TI)
由于利用数字信号处理器 (DSP) 对电源进行控制变得越来越发人深思，因此嵌入式系统设计人员在数字控制环路的设计和实施中要处理许多相关因素。首先，准确表示控制模块和相关控制参数对模拟设计人员来说是至关重要的，以使他们能使用大家所熟悉的模拟控制设计方法实施基于 DSP 的数字控制技术。
但是要实现期望的结果却需要很大的努力。基于DSP 的数字控制可以实现更多的功能控制方案，多平台的标准控制硬件设计，以及快速设计修改的灵活性，以满足特定的客户需求。
数字控制器不但不易受老化和环境变化的影响，而且还具有更好的噪声抗扰度。此外，先进的 32-位 DSP 控制器（如TMS320F280x，其具有实时的代码调试功能），可使电源设计人员实现所有的数字控制的优势，并且在不牺牲性能[2-4] 的情况下可以实施高带宽、高频率电源。此类处理器的超强计算能力还可实现复杂的非线性控制算法，将多转换器控制集成到同一处理器中，并对总体系统成本进行优化。
不过，大部分熟悉模拟控制设计的电源工程师都面临着新的挑战，因为他们要在其设计中开始采用这些数字控制技术。
本文分详细说明了基于 DSP 的数字控制设计和高频率DC-DC 转换器的实施，阐明了实现数字控制设计的两种不同途径：仿真设计和直接数字设计。
第一种方法，也就是仿真设计，即让电源设计人员在其熟悉的 s-域中进行控制设计，然后将它转换成分立/数字控制器；第二种方法，也就是直接数字设计，即在 z-域中直接进行数字控制器设计。
首先从 DC-DC 降压转换器以及一套给出的性能规范开始说起，本文讨论了不同的控制模块、不同的控制设计方法，并着重说明了和模拟方法相比，数字域控制设计的主要区别。
下文将对这两种方法进行详述，首先在 MATLAB 中进述，然后通过实验结果进行验证。同时在 MATLAB 中还对采样延迟和计算延迟的影响作了分析，并进行了实验验证。

设计一款基于 DSP 的数控 DC/DC 开关电源：第 2 部分
正如本指南中第 1 部分所提及的那样，先前描述的仿真方法设计允许电源设计人员在其熟悉的S－域中进行控制设计，然后将其转换为一个分立/数字控制器。而这里所要讲的第二种方法（即直接数字设计）则可以直接在Z－域中进行设计，勿需转换。
此方法的第一步是，将第 1 部分中的图 1 重画为下面的图 6，以显示包括采样及保持影响在内的所有该闭环控制系统的所有不同组件。
图 6 DC-DC 转换器数控环路结构图
本方法中，片上 ADC 的采样过程由一个带采样周期 Ts 的理想采样器来表示。由于充分考虑了标记为 Kd 的模块中的 ADC 增益，并且在标记为 Hc 的计算延迟模块中包含了 ADC 转换时间，因此同 [7] 中给出的模型相比较，ADC 可以通过这种方式被表示出来。该片上 PWM 模块作为一个保持器件。
将其表示为一个零阶保持 (ZOH)，该 ADC 和 PWM 模块一起构成一个采样及保持器件。这种采样和保持行为的作用是引入一个 Ts/2 的时间延迟或一个（欧米加）Ts/2 的相位滞后（如下图 7 所示）。在此，以 Ts 的时间间隔对信号进行采样，然后通过 ZOH 对其重新构建。重新构建信号的目的是将该原始信号滞后（欧米加）Ts/2 弧度或者 180f/fs 度。