設計一款基于DSP的數控DC-DC開關電源

第一部分：利用直接數字設計構建 DC-DC 轉換器系統
作者：Shamim Choudhury，德州儀器 (TI)
由于利用數字信號處理器 (DSP) 對電源進行控制變得越來越發人深思，因此嵌入式系統設計人員在數字控制環路的設計和實施中要處理許多相關因素。首先，準確表示控制模塊和相關控制參數對模擬設計人員來說是至關重要的，以使他們能使用大家所熟悉的模擬控制設計方法實施基于 DSP 的數字控制技術。
但是要實現期望的結果卻需要很大的努力?；贒SP 的數字控制可以實現更多的功能控制方案，多平臺的標準控制硬件設計，以及快速設計修改的靈活性，以滿足特定的客戶需求。
數字控制器不但不易受老化和環境變化的影響，而且還具有更好的噪聲抗擾度。此外，先進的 32-位 DSP 控制器（如TMS320F280x，其具有實時的代碼調試功能），可使電源設計人員實現所有的數字控制的優勢，并且在不犧牲性能[2-4] 的情況下可以實施高帶寬、高頻率電源。此類處理器的超強計算能力還可實現復雜的非線性控制算法，將多轉換器控制集成到同一處理器中，并對總體系統成本進行優化。
不過，大部分熟悉模擬控制設計的電源工程師都面臨著新的挑戰，因為他們要在其設計中開始采用這些數字控制技術。
本文分詳細說明了基于 DSP 的數字控制設計和高頻率DC-DC 轉換器的實施，闡明了實現數字控制設計的兩種不同途徑：仿真設計和直接數字設計。
第一種方法，也就是仿真設計，即讓電源設計人員在其熟悉的 s-域中進行控制設計，然后將它轉換成分立/數字控制器；第二種方法，也就是直接數字設計，即在 z-域中直接進行數字控制器設計。
首先從 DC-DC 降壓轉換器以及一套給出的性能規范開始說起，本文討論了不同的控制模塊、不同的控制設計方法，并著重說明了和模擬方法相比，數字域控制設計的主要區別。
下文將對這兩種方法進行詳述，首先在 MATLAB 中進述，然后通過實驗結果進行驗證。同時在 MATLAB 中還對采樣延遲和計算延遲的影響作了分析，并進行了實驗驗證。

設計一款基于 DSP 的數控 DC/DC 開關電源：第 2 部分
正如本指南中第 1 部分所提及的那樣，先前描述的仿真方法設計允許電源設計人員在其熟悉的S－域中進行控制設計，然后將其轉換為一個分立/數字控制器。而這里所要講的第二種方法（即直接數字設計）則可以直接在Z－域中進行設計，勿需轉換。
此方法的第一步是，將第 1 部分中的圖 1 重畫為下面的圖 6，以顯示包括采樣及保持影響在內的所有該閉環控制系統的所有不同組件。
圖 6 DC-DC 轉換器數控環路結構圖
本方法中，片上 ADC 的采樣過程由一個帶采樣周期 Ts 的理想采樣器來表示。由于充分考慮了標記為 Kd 的模塊中的 ADC 增益，并且在標記為 Hc 的計算延遲模塊中包含了 ADC 轉換時間，因此同 [7] 中給出的模型相比較，ADC 可以通過這種方式被表示出來。該片上 PWM 模塊作為一個保持器件。
將其表示為一個零階保持 (ZOH)，該 ADC 和 PWM 模塊一起構成一個采樣及保持器件。這種采樣和保持行為的作用是引入一個 Ts/2 的時間延遲或一個（歐米加）Ts/2 的相位滯后（如下圖 7 所示）。在此，以 Ts 的時間間隔對信號進行采樣，然后通過 ZOH 對其重新構建。重新構建信號的目的是將該原始信號滯后（歐米加）Ts/2 弧度或者 180f/fs 度。