（电力电子与电力传动专业论文）数字化智能电源模块研究.pdf

* 掌q 掌m * i t h i sp a p e rs p e c i a l l yf o c u s e so nt h et e c h n i q u e sf o rd i g i t a l c o n t r o l l e di n t e l l i g e n ts w i t c h m o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) t h eb a s i cc o n c e p t s ，p r i n c i p l e sa n dc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n a r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r ad s p c o n t r o l l e df u l l b r i d g ep h a s e s h i f t e d ( f b p s ) z v sp w m d c d cc o n v e r t e ri su s e da sa n e x a m p l et o i l l u s t r a t e t h em a i nt e c h n i q u e so fd i g i t a l c o n t r o l l e di n t e l l i g e n ts m p s w h i c hi n c l u d i n q ： 1 1d i g i t a lc o n t r o is t r a t e g y ； 2 1d i g i t a lc o n t r o is c h e m ef o rl o a ds h a r ei nap a r a l l e ls y s t e m ； 3 ) d e s i g nc o n s i d e r a t i o nf o rp c bl a y o u t s o m en e wm e t h o d sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e rw h i c he n u m e r a t e da sf c ) i l o w s ： 11 p h a s e s h i f t e dc o n t r o ii m p l e m e n t e dw i t hf h et m $ 3 2 0 f 2 4 1d s pc o n t r o l l e ra n d s w i t c h i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e dt o10 0 k h z ； 2 ) l o a ds h a r ec o n t r o l l e dv i ac o n t r o ia r e an e t w o r k ( c a n ) b u s ； 3 ) s o m ev a l u a b l eo p i n i o n si n c l u d i n ga n t i - j a m m i n g i n d i g i t a lc i r c u i t s ，c o n t r o l l e r s e l e c t i o n ，p r i n c i p l e si np c bl a y o u t ，a n de t c 浙4 犬掌硬女掌m 论i 第一章绪论 工程技术发展的动因在于不断有新的社会需求被提出来，而工程技术发展的目的也就 在于解决因社会需求所带来的工程技术问题。 随着开关电源。技术的日趋成熟，四开关以下的电路拓扑及其控制方式都被研究殆尽， 而真正能够成功应用于工业界的却为数不多。这是因为，开发电力电子产品尚有其它许多 非常实际的工程问题。这些包括：安全性、可靠性、电磁兼容性( e m c ) 、功率密度、效 率、功率因数、智能化、产品一致性等等。 对于几乎所有的电力电子产品而言，安全性和可靠性都是首要的；而对于社会需求量 大的电力电子产品，一致性也是十分重要的，因为这将直接影响到生产的效率和产品的可 维护性，在一定程度上也会影响产品的可靠性。 本文研究数字化智能电源模块，重点在于数字化。但数字化不是目的，而是为了解决 电源模块中诸如可靠性、智能化、产品致性等工程问题。当然，数字化的本身又会带来 些新的工程问题，比较重要的如数字控制电路的抗干扰问题，它将直接影响到电源模块 的可靠性。还有开关频率的问题，它将影响电源模块的功率密度。关于数字化给电源模块 带来的可靠性问题，这里的阐述似乎有些矛盾，请继续阅读本章第二节。 数字化容易实现智能化，这种观点基本上能够被大家接受，因此本章主要讨论以下几 个问题： 团 数字化智能电源模块与传统智能电源模块的区别 团数字化如何提高电源模块的可靠性 团数字化如何提高电源模块的产品一致性 团设计数字化智能电源模块应考虑的主要问题 o 开关电源属电力电子产品的范畴其核心是电力电子变换器。 兰鬯兰型竺町竺苎兰查 一苎二! 竺兰 第一节数字化智能电源模块与传统智能电源模块的区别 一、一组概念：微控制器、微处理器，微机、单片机 为了下文表述方便，我们先来解释这一组概念： 微控制器1m i c r o c o n t r o l l e r 微控制器主要功能在于产生合理的控制时序使某个系统内各部件协调工作。如： 程序控制器、输入输出控制器等。 微处理器1 m i c r o p r o c e s s o r 微处理器的主要功能在于处理信息。在具有固定指令集的微型计算机中，微处理器 由算术逻辑单元和控制逻辑单元组成。在具有微程序控制的指令集的微型计算机中，它 包含另外的控制存储单元。 微机j m i c r o c o m p u t e r “微型计算机”简称“微机”。一台基本的微型计算机包括微处理器、存储器和输 入输出部件，它们可以是( 或者不是、在一块芯片上。 单片机】s i n g l e c h i p 将微处理器、存储器和输入输出部件集成在块电路板上的微型计算机称为“单 板机”，而集成在一块芯片上的则称为“单片微型计算机”，简称“单片机”。 二、数宇信号处理。和数字信号处理器 数字信号处理的对象是离散时间信号序列，处理的基本手段( 即对序列的运算) 包括移位、翻褶、和、积、累加、差分与卷积和。其它更复杂的运算如滤波、快速傅立叶 变换( f f t ) 等都是由这些基本运算组合而来的。 由于数字信号处理涉及大量的乘法运算( 例如对长度为n = 2l o * 女8 的序列进行f f t ， 涉及的复乘次数为n l 2 ) ，因此直到内含硬件乘法器的微处理器的出现，才使其真正得 到广泛的运用。这种微处理器便被称为数字信号处理器，通常又叫“d s p 芯片”。 现代微电子技术及半导体制造技术的发展使得单片集成微型计算机变得游刃有余，将 定时器、a d 、d a 、p w m 、通讯接口等其它外围部件加入单片微机中以适应工业界的不 同需求已变得相对容易了。例如美国t i 公司就有专门为数字电机控制应用而设计的 t m s 3 2 0 c 2 4 x 。系列d s p 控制器，其内部集成了1 6 位定点运算d s p 和丰富的外设。确切 地说，它们是种具有d s p 内核的单片机，但是由于其强大的数字信号处理器内核的影响， 人们还是习惯把它们称为d s p ，以此与普通单片机区分开来。在广义上，本文则根据单片 机的定义仍旧称之为“单片机”。 三、单片机在智能电源模块中扮演的角色 目前，关于智能电源模块的定义或标准尚未明确。有一种说法是模块能够与外界进行 更多的信窟。交流，如模块能够向外提供其内部的工作状态和参数，并且能够接受外部的命 令和参数，自动改变工作状态和输出参数。也有一种说法将内置单片机的电源模块称为智 能的电源模块。 电源模块智能化的个重要原因是为了实现无人值守，因此，电源模块具有与外界通 信的能力便是其智能化的一个重要内容。内置单片机是增强通信能力的方便廉价的手段。 o 有关数字信号处理的些基本概念可参阅数字信号处理教程，程佩青，清华大学出版社，1 9 9 5 o 有关t m s 3 2 0 c 2 4 x 的详细资料可参阅t m s 3 2 0 c 2 4 x d s pc o n t r o l l e r s ) ) ，t e x a si n s t r u m e n t s t1 9 9 7 o 正如电源模块数字化不是目的一样，电源模块内置单片机也不是目的，故而这种说法是不太规范的。 - 2 竺竺苎兰! 圭竺苎兰苎一 ! = ! 竺兰 皇譬，在数据采集、故障判断、条件控制等方面，单片机也容易实现。因此，在智能电源 模块中通常都由单片机来实现其智能化方面的功能。 四、数字化智锯电源模块与传统智能电源模块的区别 图1 1 表达了传统智能电源模块的一种常见结构。在这种结构里，主功率电路的闭环 控制和故障保护都由模拟电路实现。单片机负责电路参数和故障信号的采集，并将这些数 据传到外界，同时接收外界的命令和数据，控制主电路的热开关机和调节控制环的给定基 准a 可见，单片机并不直接参与主电路的控制。 图1 i l 传统智能电源模块的常见结构 + 1 l i _ 啊_ _ _ _ _ _ _ 卿_ i f 驱动信号电路参数 电路参数( 模拟量) 输出反馈 1 1 r _ j 1r j 二 r j l li 剖剡l 到； p w m 信号紧急故障信号ll 广l 主 输出壶馈及 i 一通信叫以单片机( d s p ) 为核心的数字控制电路瞿一其它电路参数 f f l 1 _ _ _ _ _ _ _ 一 数字量 图j2 数字化智能电源模块的结 句 图】2 则表达了数字化智能电源模块的结构。与传统智能电源模块相比，一个显著的 区别就在于：这种结构将主电路的控制环也移交给单片机用离散。的方法处理。我们还可以 看出，这种结构节省了一个d a 环节。 o 有关离散控制系统的内容可参看计算机实时控制系统，蒋静坪浙江大学出版社，1 9 9 2 - 3 兰兰查掌女单* 文* 一l * _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ j _ - 第二节数字化如何提高电源模块的可靠性 决定电源模块可靠性的因素很多，如：元器件的质量和寿命、主功率电路的高频干扰 情况、检测和控制电路的抗干扰性能、电源模块的温升情况、影响可靠性的环节数目等。 数字化的一个重要目的是为了提高电源模块的可靠性。然而，由于高频下p w m 所产 生的电磁干扰非常严重，检测和控制电路容易受到干扰而产生误判断和误动作，而以单片 机为核心的数字电路尤其容易受到主功率电路的电磁干扰。这种干扰多数表现为地线上的 共模干扰，很容易导致程序跑飞或复位。故而，只有很好地解决数字控制电路的抗干扰问 题，数字化才有可能提高电源模块的可靠性。 一、模拟电路和数字电路受干扰的不同表现 我们常说数字电路的抗干扰能力比模拟电路强，而事实上人们却更担心数字电路受到 干扰，因为数字电路一旦受到干扰而发生误动作其后果常常是致命的。这是为什么呢? 关于“数字电路的抗干扰能力比模拟电路强”的观点，我们应该从数据表达形式的角 度去理解。模拟电路常以电压或电流值的大小来表达一个数据，而数字电路则以高低电平 的组合来表达。譬如对于十进制数据“1 0 ”和6 ，模拟电路可能用“5 v ”和“3 v ”电压 来分别表达，而数字电路则可能以“1 0 1 0 ”和“叭l o ”来表达。 在数字电路里，高低电平都有一定的阀值o ，并且有一定的回差。如t t l 和c m o s 系 列逻辑电路的逻辑电平列于表1 1 ： 表llt r l 及c m o s 的逻辑电平参数( 电源电压为5 v 的情况下) 。 丌lc m o s 特性符号单位 l sa l sm c l 加0 h i - s p e e d r a i n 2 , 02 03 535v 输入电压阀僵 k m a ) (080 81510v v o h r a i n2 72 7v d d 00 5v c c 0 1v 输出电压阀值 v “m a x 0 50 500 50 1v 在稳定情况下，数字电平受到干扰而使其代表的数字逻辑。发生状态翻转所需的干扰电压至 少需要1 2 v 。一般数字电平的幅僮总是做到尽量远离阀值( 如高电平为4 5 v 以上，低电 平为o 3 v 以下) ，因此，抗干扰的能力会更强。 模拟电压或电流受到干扰时会影响其值的大小，进而影响其所代表的数据，而数字电 平受到干扰不一定会影响其代表的数据，只有当叠加在数字电平上的干扰电压比较大的情 况下，数字逻辑才可能发生变化。在这个意义上，我们说：“数字电路的抗干扰能力比模拟 电路强。” 但是，在高频开关电源内部，并不能排除大幅值干扰电压的存在。有时，受布线情况 和主功率电路的影响，数字地上也会出现1 v 以上的电压毛刺。在这种强干扰环境下，数 字逻辑发生误翻转的情况也是有可能的。 o 英文为“t h r e s h o l d ”，表示临界值的意思。高电平的阀值是高电平的最小值幅值，低电平的阀值是低电 平的最大值i 嚆值。 e 逻辑电平也可称为数字电平；该表出自h i g h s p e e dc m o s d a 妇，m o t o r o l a o 数字逻辑是指数字电平所代袁的逻辑状态0 或1 ，而数字电平仍含有幅值的概念。 兰竺苎兰竺主兰兰竺! 一蔓= ! 苎兰 开关电源内开关管的开通和关断、电路的故障状态等都是由数字逻辑控制或表示的 因此，如果数字逻辑发生误翻转，通常情况下都会导致比较严重的后果。 二、在干扰环境下，数字逻辑什么时候最容易发生误翻转 前已论及，在一般的稳定情况下，数字逻辑的抗干扰能力是很强的。但事实上，在高 频开关电源的主电路附近，数字电路受干扰而发生误翻转的情况却经常出现。譬如移位寄 存器的移位时钟，容易受干扰而导致误触发，从而使数据位的传输发生错误。 仔细分析，我们不难发现，数字逻辑在状态翻转过程中最容易发生误翻转。因为在逻 辑状态发生翻转的过程中，数字电平不可能突变，总有一定的上升时间或下降时间，即有 一定的上升沿或下降沿。当数字电平在变化过程中处于高低电平的阀值之间时，如果较大 的电压毛刺叠加进来或在地线上出现这样的毛刺，都很容易使其所代表的数字逻辑发生来 回翻转。图1 3 会更直观地反映这种现象。 20 08 0 0 50 20 o8 o “】， 0 “1 ” 帅；。一 v i l m “ l 1 一 l 一一 。攀- 一v v 图1 3 在强干扰环境下，数字逻辑在从0 翻转到“l ”可能出现的情况之一 从图1 3 可以看出，干扰在数字电平的上升过程中使数字逻辑出现非期望的结果，而 同样的干扰对稳定的高低电平并没有造成逻辑上的错误。 浙 掌掌t * 文 l 一章- * _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ - 一 再看图1 4 。与图1 3 相比，两者的干扰电压是一样的，干扰的时机也基本相同( 部是 在数字电平为1 、2 v 时出现干扰尖峰) ，不同的是数字电平的上升沿( 图1 4 比图1 3 陡峭些) 。 我们从图14 可以看到，在这种情况下，受干扰后的数字逻辑比期望的要提早翻转，但是 它并没有出现象图1 3 中那样的来回翻转。可见，提高数字电平的变化率可以增强数字逻 辑的抗干扰能力。提高数字电平变化率的目的其实是减少数字电平处在高低电平阀值附近 的机会。可以想见，如果数字电平趋向突变的话，那么它接近高低电平阀值的时间就趋向 于零，几乎所有的时间都处在稳定的高电乎或低电平状态。这两种状态下，数字逻辑的抗 干扰能力是很强的。 5o 20 08 0 0 50 20 o8 0 “l ， “0 ” “1 ? v l hm i n v 。a x | l 6 i 一一一 椭广 v m a x 4 i 一 v v 爹数 砉幸 磊稽 彝华 沿 c 螽 垂喜喜 h w 擎 囊萋 辱舞 8 锈 ，：， t = ：1 萋餮 籀 图1 , 4 在强干扰环境下，数字逻辑在从0 翻转到1 可能出现的情况之二 当然，如果数字电路设计不合理，使得在稳态时数字电平离高低电平的阀值太近，那 么数字逻辑即使在稳态也容易发生误翻转。这种情况经常发生在三极管或模拟比较器的应 用电路中如图1 5 所示： - 6 - 兰兰查竺竺圭兰兰竺查 ! 二! ! 竺 图中两个三极管在稳态时均工作在饱和 区。当输入i n 为高电平时，t l 饱和导通，a 点电压为03 v 。对于t 2 而言，输入的高低电 平阀值均在o7 v 附近，因此正常情况下，t 2 截止，输出o u t 为高电平。 但是此时a 点的03 v 电压在受到干扰时 很容易超过07 v ，导致输出逻辑错误。 圈i5 用三极管组成的同向驱动电路 三、单片机出现异常复位。和程序跑飞现象的原因是什么 在本章第一节中，我们分析了数字化电源模块与传统电源模块的关键区别就在于主电 路的控制环节。数字化所采取的方法是将控制环交给单片机处理。而对于主电路来说，无 论其控制电路是数字的还是模拟的，可靠性总是首先要考虑的因素。 如果是用单片机来处理控制环节，那么影响其可靠性的两个重要因素就是：系统上电 之后单片机是否只有一个初始化过程：单片机初始化之后能否始终按预定的程序执行。 一般情况下，单片机在复位之后总要进行一些初始化工作，比如全局变量的初始化、 控制端口的初始化、外围部件的初始化等，之后才进入主程序。主程序可以是单程的，执 行完一串任务之后将单片机的电源切断或进入死循环等待人为关机。而大多数情况下，主 程序可以看成一个大的循环体，譬如闭环控制就需要不断的循环计算。初始化是为主程序 做准备的，因此，在初始化过程中，许多控制都未开始或被禁止。如数字化电源模块，当 单片机正在执行初始化程序时，主电路开关管的脉冲需要被禁止。如果主电路正在工作中， 单片机出现异常复位，那么系统就会有一段时间关闭主电路。在需要电源连续工作的场合 ( 如u p s ) ，这种情况是不允许的。 单片机出现异常复位的原因不外乎两个：一个原因是单片机的复位引脚受到干扰；另 一个原因是程序跑飞促使看门狗定时器溢出，从而导致单片机复位。 所谓“程序跑飞”，是指程序按照非预想的顺序执行。这种后果是不可预知的，因此必 须最大可能的防止程序跑飞。 为了说明程序跑飞现象的原因，我们先来关心一下单片机是如何执行程序的。程序是 由一条条指令构成的，执行哪一条指令是由程序指针的值决定的。单片机复位后程序指针 首先处于缺省值，在执行了当前的指令之后程序指针的值会作相应的修改，这要看当前执 行的是何种指令。执行跳转指令和非跳转指令后程序指针值的修改原则是不同的。对于有 些单片机，即使是执行非跳转指令，程序指针值的增量也是不定的。对于采用单字节指 令系统的单片机，执行非跳转指令时程序指针值的增量都是1 。o 因此，程序跑飞的原因只有两个：( 1 ) 存放程序指针的存储单元内容受到干扰而被修 改；( 2 ) 当前执行的指令代码受到干扰，使程序指针值的增量与预想的不同。 o 单片机的复位是指程序指针指向初始值，而单片机的上电复位还会将一些寄存器初始化；有关单片机原 理的知识可参看相关书籍。 e 这一段的表述并不确切但能说明大致原理。 o 这包括程序指针的备份单元和堆栈单元等 一7 一 。乎f 四、如何提高数字控制电路的抗干扰性能 由前面的分析可知，数字逻辑受干扰而出现错误的根本原因是代表数字逻辑的电平因 受干扰而越过了另个阀值( 如低电平受干扰越过了商电平的阀值，高电平受干扰越过了 低电平的阀值) 。单片机出现异常复位或程序跑飞现象的最根本原因也在于此。 在微电子技术高度发达的今天，有一个现象我们基本上不用去怀疑，那就是大多数因 干扰而产生的错误都是发生在芯片外部的。比如单片机跑飞现象，大多数是发生在片内不 带程序存储器的系统中。由于程序存储在单片机外部，指令代码在传输过程中就很容易受 干扰而发生错误，从而导致程序指针值的变化可能与预想的不同。 因此，要提高以单片机为核心的数字控制电路的抗干扰性能，我们可以从以下四个方 面考虑：( 1 ) 尽量采用集成度高的芯片，这样可以减少受干扰的环节；( 2 ) 在单片机的选 用上，尽量采用单字节指令系统的类型，这样可以减少程序跑飞的几率；( 3 ) 在芯片外围 的接口处理上增强数字逻辑的抗干扰能力：( 4 ) 合理设计分立元件构成的数字电路。 五、小结 1 在数据表达方面，数字电路的抗干扰能力比模拟电路强； 2 使数字电平远离阀值和减少数字电平靠近阀值的机会，可以增强数字逻辑的抗干扰 能力： 3 尽量采用集成度高的芯片是提高数字控制电路抗干扰性能的有效方法； 4 只要在设计时考虑周全，数字控制电路的抗干扰问题应该容易解决； 5 解决了数字控制电路的抗干扰问题，数字化电源模块的可靠性至少不会低于传统电 源模块的可靠性o 。 i 千磊面西秭丽函i 看三不耍衍扰源_ 干扰途径、干扰对象：有关内容可参看电力电子系统电磁兼容 殴计基础及干扰抑制技术，钱照明浙江大学：关于干扰源及干扰途径的问题t 数字化电源模块和传统 电源模块基本相同，这里不作为比较因素。 塑垡竺! 兰竺苎竺 ! = ! ! 兰 _ _ h - _ _ _ _ ，_ ，_ ，_ _ ，_ _ _ ， - 一一一 第三节数字化如何提高电源模块的产品一致性 一、产品一致性的两层涵史 这两层涵义包括：( 1 ) 产品设计与产品制造的一致性：( 2 ) 产品样本在性能参数上的 致性。 产品设计与产品制造的致性这是指：依据该设计方案能够制造出达到预定功能 和性能的产品。这就要求设计过程中不能出现原理上的错误。 产品样本在性能参数上的致性这是指：依据该设计方案所提供的元器件制造出 的所有产品样本在性能参数上满足一定的精度要求。由于许多元器件的实际参数不可能做 到完全相同，因此就要求对元器件的参数进行冗余设计，使其分散的参数不至影响产品的 性能。 显然，产品一致性是要在产品的设计过程中解决的。所谓“运筹帷幄之中，决胜千里 之外”，正是说明合理周到的设计对生产制造所起的重要作用。 二、为什么要提高产品的一致性 当一个设计完成时，一般就要进行样本试制以验证设计的可行性。如果产品样本制造 出来后发现其功能或性能上不能满足设计的要求时，就要进行再设计。再设计完成之后同 样要再进行样本试制。也许通过多次地再设计最终确实能够满足设计要求，但是这样做必 然延长了开发周期，对生产商把握商机是不利的。因此，争取一次设计就实现产品一致， 是设计人员应当追求的目标。 另外，产品一致性好的设计能够尽量避免生产过程中人为的调整元器件参数。这样便 可以降低对生产人员专业知识的要求，使设计和生产相对独立，同时也提高了生产的效率。 在大批量生产过程中，人为参与的环节越多，产品的总体可靠性就越差。因此我们说， 产品一致性在一定程度上也会影响产品的可靠性。而且，需要调整的元件越多，系统的整 体性能可能就越差。 三、影响电源模块产品一致性的常见问题 1 各功能模块之间启动和配合的时序问题 如输入滤波电容的软充电、主功率电路的启动等事件的时序安排问题，还有其它 如相关继电器的吸合、指示灯的点亮等。这些问题有的确实是小问题，但是如果不在 设计时考虑周全，往往会对后期的硬件调试工作增加许多麻烦。 2 主功率电路对检测电路和控制电路以及驱动电路的干扰问题 干扰常常会使实际电路出现意想不到的结果，甚至导致设计方案的失败。因此， 在设计时就必须考患可能出现的干扰问题。即进行电磁兼容性( e m c ) 设计o 。 3 模拟控制电路元器件的参数分散性问题 模拟控制电路所采用元器件多为运算放大器、电阻、电容等，这些元器件的参数 一般都是经过严格计算得来的。某些参数与理论计算值发生偏差会导致控制不稳等情 况。必要时，我们会在控制电路上加一些可调元件( 如电位器等) ，用以补偿参数偏差。 但这样做会增加调试难度，影响生产效率甚至降低产品的可靠性。 四、数字化如何提高电源模块产品的一致性 影响电源模块产品一致性的三个常见问题是由电源设计和调试专家们提出的，因此比 。有关e m c 设计的论述可参看电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术，钱照明，浙江大学 一9 - 浙e 掌掌t * 文 第一幸* 论 较实际，调试中遇到的也比较多，其它问题大概容易解决，本文就不多叙述了。针对这些 问题，我t j 可以从元器件的选择和排列、布线、以及改变控制方式等方面着手解决。 选择合适的元器件、合理地布置元器件的空间位置以及合理地布线，可以有效地减小 主功率电路对控制电路的电磁干扰。而采用数字控制方式可以有效解决控制时序问题、控 制电路的抗干扰问题和控制电路参数分散性问题。 用单片机来控制各种时序是一种比较简便的方法，而且通过程序可以方便地修改。因 此在设计时关键是考虑哪些量需要控制，不要遗漏，以便留出足够的i 0 口参与时序控制。 数字控制电路的抗干扰问题，本章第二节有详细的论述。 关于控制电路参数分散性的问题，我们先来看一下自动控制系统的示意框图，如图1 6 所示： 图l6 自动控制系统的示意框图。 在开关电源中，这种反馈环节一般为常数。由自动控制理论的知识，我们知道：如果反馈 环节不受扰动，那么被控对象的输出稳定性和暂态响应特性只与控制环节的参数密切相关。 如果用模拟电路来实现控制环节，则很难回避元件参数分散性问题，倘若采用数字电路来 实现控制环节，则不存在参数分散性的问题。 五、小结 1 本文所述的“产品一致性”属于设计范畴，它是衡量项设计与产品制造的符合程 度的定性指标： 2 产品一致性好的设计能够提高产品的可靠性、提高产品的整体性能、降低对生产人 员的技术要求、提高产品的生产效率： 3 采用数字电路来实现控制环节，则不存在控制环节的参数分散性问题： 4 数字化能够提高电源模块的产品一致性。 o 该图出自自动控制理论，夏德钤，机械工业出版社，1 9 8 9 - 1 0 。 兰兰查竺竺三竺苎竺苎 苎= ! ! 竺 - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - - - 第四节设计数字化智能电源模块应考虑的主要问题 前文分析了数字化智能电源模块与传统智能电源模块的区别，并从原理上说明了数字 化可能带来可靠性和产品一致性的提高。这些说明仅仅是坚定了我们将电源模块数字化的 信心，然而，数字化设计还有更多更具体的问题需要我们去考虑。有些问题可以独立考虑， 有些问题则需要结合其它问题综合考虑，寻求最佳方案。 下面列举些由于数字化带来的或由于数字化而需要特别强调的问题，以供参考： 1 主功率电路的拓扑结构、控制方式和开关频率 目前能否采用数字控制，与此有很大关系。 2 控制电路核心单片机( d s p 控制器) 的选用 为了提高控制电路的抗干扰性能，我们希望控制电路所用的芯片数量越少越好。 对于单片机而言，程序存储器最好是在片内的，这样可以基本杜绝程序跑飞现象。另 外，p w m 发生器、a d 转换器等最好也是片内的。还有：单片机的指令周期是多少， 能否实现实时控制；p w m 发生器的路数有多少，频率和调节精度如何，能否实现所 需的控制方式；a d 转换器有多少通道，转换速率是多少，能否满足控制周期的要求 等等。 3 电源模块并联使用的均流控制问题 一旦主电路的控制实现数字化，则均流控制也该用数字方式实现，这样容易与控 制环相结合。 4 数字控制电路的抗干扰设计 数字控制电路的抗干扰能力较强、容易实现模块化。设计，从而能够将整个控制模 块当作一个元件处理，简化抗干扰设计。 5 控制电路与主功率电路的接地问题 这个问题将牵涉到控制电路的抗干扰、模拟量取样、隔离等问题。 6 故障检测和保护 由于单片机( d s p 控制器) 响应外部中断的速度是有限的，它只能对一些非紧急 故障( 如过温、过欠压等) 进行检测和保护。而对于过流这样的紧急故障则需要靠模 拟比较电路检测，并直接对主电路进行保护，同时通知单片机，实现双重保护。 o 所谓模块化，是指系统的外界与该系统联系时，无需考虑系统的内部细节。 竺兰查竺篓兰竺竺兰苎 苎= ! 竺苎 第五节本文的选题意义和研究内容 一、选题意义 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足之处提出的。 数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块 中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。 对于智能电源模块，采用全数字化控制能够简化电路结构( 如图1 i 和图i 2 所示) 、 方便硬件设计( 包括印刷线路板设计) 。 目前，由于数字控制器性能( 如相应的控制方式和开关频率等) 的限制，全数字化的 电源模块尚未得到广泛的研究。本文以移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器为例，研究 数字化智能电源模块的几个关键技术。并且着重介绍这些技术的基本概念、原理和目前条 件下的实现方法，以使本文具有一定的通用性和实用性。o 二、研究内容 【移相p w md c d c 全桥变换器的数字控制 ( 1 ) 如何利用目前d s p 控制器所提供的功能实现p w m 的移相控制： ( 2 ) 如何提高数字式p w m 的频率以减小电源模块的体积。 2 开关电源并联系统的数字均流技术 ( 1 ) 分析数字均流的关键技术； ( 2 ) 制定行之有效的均流策略。 3 数字化电源模块的印刷线路板设计 ( 1 ) 从产生传导噪声的根本原因出发，提出印刷线路板布线的主要原则 ( 2 ) 比较数字控制模块和主功率电路之间的各种地连接方案。 o 随着电源模块数字化研究的发展，适台各种拓扑和控制方式的专用或通用数字控制器很快便会应运而 生，许多具体实现上的问题将会被这些现成的芯片( 或芯片内部的功能模块) 轻易解决。 1 2 - 竺堕塑型竺竺羔一一 第二章移相控制z v sp w i i id c d c 全桥变换器。 本章是为下一章关于数字控制的探讨做准备。 关于移相控制z v sp w m d c d c 全桥变换器的原理和设计，脉宽调制d c d c 全桥变 换器的软开关技术( 阮新波、严仰光著，科学出版社，1 9 9 9 ) 有详细的介绍，因此，本章 的目的是想从简要分析电路结构及控制策略入手，逐步提炼出与数字p w m 控制相关的主 要内容，同时，也希望通过简要的叙述介绍一些相关的概念。 本章讨论以下几个内容： 宙 脉宽调制型d c d c 全桥变换器的构成 团 脉宽调制型d c d c 全桥变换器的软开关技术 团 移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器的工作原理 团 数字移相p w m 控制器的主要任务 。英文为“p h 勰c s h i f t e dz e r o v o l t a g e s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ”；详细内容可参看脉宽调制d c d c 全 桥变换器的软开关技术，阮新波、严仰光，科学出版社1 9 9 9 ；与移相控制z v sp w md c d c 全桥变换 器相关的参考文献还有： r r e d l ，e ta l ，“an o v e ls o r s w i t c h i n gf u l l b r i d g ed c d cc o n v e r t e r ：a n a l y s i s ，d e s i g nc o n s i d e r a t i o n s ，a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa t15 k w , 1 0 0 k h z ”，i e e et r a n s o np e ，v o l6 ，n o3 ，j u l y , 1 9 9 1 ，p p 4 0 8 - 4 1 8 竺竺苎兰竺主兰竺兰查 ! 三! 竺竺苎竺! ! 坚! ! ! ! ! 堕竺竺兰兰竺 第一节脉宽调制型d c d c 全桥变换器的构成 脉宽调制型d c d c 全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波电路构成。 全桥逆变器的主电路如图2 1 所示，由四只开关管o q l q 4 ，反并联二极管d 1 d 4 。和 输出变压器t r 等构成。输入直流电源电压为v i n 。当开关管q 1 、q 4 导通，q 2 、q 3 关断， a 、b 两点电压v a b 。v i n ；反之，当开关管q 2 、q 3 导通，q l 、q 4 截止，则a 、b 两点电 压v a b 2 一v i n 。因此适当地控制四只开关管的开通和关断，可使输出v o u t 为交流电压。 图2 1 全桥逆变器主电路 将全桥逆变器的输出进行整流滤波处理，便可实现直流输出。 整流的方式很多，常见的有全桥整流、半波整流、全波整流等，如图2 2 所示。全桥 整流方式始终有两个二极管与负载串联，增加了二极管的损耗：半波整流方式虽然只有一 个二极管与负载串联，但是增大了输出纹波：全波整流方式综合了两者的长处，只是需要 在变压器副边增加一个绕组。 d r i ll ll a 全桥整流电路 jr l j 。+ d r i 1 - 1 j 。 ： - 1踏 b 半波整流电路c 全波整流电路 图2 2 整流电路 输出滤波电路如图2 3 所示。对于滤波器来说，输入i n 是一个脉动直流电压输出o u t 则是滤波电容c f 上的平稳直流电压。输入电压的脉动成份( 即交流分量) 加在滤波电感l f 上。 图23 输出滤波电路 0 注意：本章出现的开关管均指功率m o s f e t e d i d e 可以是开关管q l q 4 的寄生二极管， 本章得出许多结论也是基于这个前提的。 也可以是外接的 一1 4 - 兰兰查竺竺圭竺4 * 文 第= 净制z v sp 州i ) c i d c 女桥竞换b _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - + _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ 脉宽调制型d c 仍c 全桥变换器的基本电路结构如图2 4 所示。其工作时的主要波形如 图2 5 所示。 v o u t i q l j 舀j芒一目 】l = - ja b f rl 一扛 l i一目 jk ii d 3 l 七_ ”， 1 出 变压器t r 的原副边 1 i 匝比k = n 1 r n 2_y 弋7 ，h 辚 圈2 4 脉宽调制型d c d c 全桥变换器的基本电路结构 t v i n t v i n v i n k v i n k t v i n k l d v i n k f k r l 一 o ( t o n 是导通时间，t s 是开关周期，占空比d = 2 t o n ，t s ) 图25 脉宽调制型d c d c 全桥变换器工作时的主要波形 1 5 - 兰兰苎兰竺兰兰竺竺查 ! 苎! 竺塑竺竺! ! 竖! 型! 型堕竺! 苎兰竺 ! i i - - 节脉宽调银j 型d 0 d 0 全桥变换器的软开关技术 、脉宽调制型d c d c 全桥变换器的控制策略 如图2 5 所示，为了在c 、d 两点间得到脉宽调制电压v 。，我们需要在高频变压器的 原边得到一个交变的方波电压v 。 可以看出，交流方波电压v a i l 存在三种状态：( + 1 ) v i n 、0 、( 一】) v i n 。或者说，要 得到这样的v a b ，需要电路存在这三种工作状态，简写为：+ l 、0 、一l 。 全桥电路有四个开关管( q 1 q 4 ) ，每个开关管有两种状态：开通、关断。因此，四个 开关管的状态组合总共有2 4 = 1 6 种情况。如果用“l ”表示开通，0 表示关断，这1 6 种 情况如表2 】所示。其中，应当排除上下管同时开通的情况。这些不合理的情况在表2l 中 的“工作状态”栏里用“”表示，电路中应当禁止开关管出现这些状态组合。 表21 全桥电路的1 6 种开关组合情况 编号o1234 7 笺+ 、 6 i 譬 89 a ：抽t c 麓潦寰 量： q 101010101014 a 十o 若#簿疆 降 q 200 110o11001100一! ，f q 3000o11 110 000 1 1龟0 1 0 4o00ood001 11。”1 j 露 ，枣；隆j _ 编 必? 工作 ooo0o。一10+ 1：一o砭： 状态 在余下的9 种开关组合中，分别都只有1 种对应+ 1 工作状态和一l 工作状态，其它7 种都对应0 工作状态。 如果要使全桥电路在a 、b 两点间产生如图2 5 所示的交流方波电压v 。则只需根据 v 。的状态查表2 1 ，将四个开关管切换到表中所对应的开关组合即可。要实现+ 1 状态， 只有1 种开关组合可行，即：q 1 、q 4 开通，q 2 、q 3 关断。要实现一1 状态，也只有1 种 开关组合可行，即：q 2 、q 3 开通，q l 、q 4 关断。而要实现0 状态，则有7 种开关组合满 足条件，而且，在0 状态期间，任意切换这7 中开关组合也是可以的。因此，要产生如图 25 所示的交流方波电压v 。理论上可以有无数种控制方式o 。但是，从控制实现的角度 来看，许多方式都是没有意义的。图2 6 为两种常见的控制方式。 v 日 q l 0 3 q 4 0 2 广 l 。一 i ： a 传统控制方式 v 日 q l 0 3 q 4 q 2 厂厂 广p 1 i f - - il l 一 ； l j ，i ， 。i 。 f； f 。 i【l b 移相控制方式 图2 6 全桥电路的两种常见控制方式 o 脉宽调制d c d c 全桥变换器的软开关技术( 阮新波、严仰光，科学出版社，1 9 9 9 ) 第二章中有关于 9 种控制方式的提法， - 1 6 兰兰苎竺! 圭竺苎竺l 一 苎苎! 竺竺竺竺! 坚! 型! ! ! 堕竺竺苎兰竺 图2 6 中控制信号波形的下方对应标着各个时段开关组合的编号( 见表2 1 ) 。 以上从开关管开关组合的角度阐述了脉宽调制型d c d c 全桥变换器的控制策略，并且 举出了两种常见的控制方式。 二、软开关的基本原理和实现方法 软开关的概念是相对于硬开关而提出的。软开关的目的是降低开关器件的开关损耗以 及改善开关器件的开关条件。借助于开关器件的开关轨迹图( 如图2 7 ) ，我们可以直观地 看出软开关和硬开关的本质区别。 a 开关器件工作在硬开关条件下的开关轨迹b 开关器件工作在软开关条件下的开关轨迹 图27 开关器件的开关轨迹 在开关器件开通和关断过程中，流过开关器件的电流i 。对开关器件的电压降v 。的积 分，分别是开通损耗和关断损耗。从图2 7 上看开通轨迹与i 。v 。坐标轴所包围的面积 就是开通损耗，关断轨迹与i d v 。s 坐标轴所包围的面积就是关断损耗。 因此，实现软开关的基本指导思想就是：使开关器件的开关轨迹尽量靠近i 。v 。坐标 轴。具体可分为： ( i ) 零电压开通在开关器件开通前，使其电压降到零： ( 2 ) 零电流开通在开关器件开通时，使其电流保持在零或限制电流的上升率： ( 3 ) 零电压零电流开通同时做到( 1 ) 和( 2 ) ： ( 4 ) 零电流关断在开关器件关断前，使其电流减小到零； ( 5 ) 零电压关断在开关器件关断时，使其电压保持在零或限制电压的上升率： ( 6 ) 零电压零电流关断同时做到( 4 ) 和( 5 ) 。 而软开关技术按其实现的机理可分为： ( 1 ) 缓冲型在开关器件上串联感性支路，使电流缓升，实现开通软化：或者在开 关器件上并联容性支路，使电压缓升，实现关断软化： ( 2 ) 谐振型通过l c 谐振元件来改变开关器件的电压或电流波形，以达到软开 关的条件； ( 3 ) 控制型通过改变控制方法来实现开关器件的软开关，一般针对多开关的电路 拓扑，因为多开关拓扑具有较多的控制方法以供选择，如前面介绍的全桥变换器。 三、脉宽调制型d c d c 全轿变换器的两类切换方式 不论采用何种控制方式，从斜对角的两只开关管的关断情况来看，总可以分为两类 1 7 第二章廿相控制z v sp w md c d c 全桥l 换器 ( 1 ) 斜对角的两只开关管同时关断，如图2 6 中的传统控制方式属于此类； ( 2 ) 斜对角的两只开关管关断时间错开，一只先关断，一只后关断，如图2 6 中的移 相控制方式属于此类。 在第( 2 ) 类切换方式下，如果开关管q 1 和q 3 分别在q 4 和q 2 之前关断( 譬如图2 6 中的移相控制方式) ，那么可以定义q l 和q 3 组成的桥臂为超前桥臂，q 2 和q 4 组成的桥 臂为滞后桥臂。 在