（电机与电器专业论文）基于dspic通信电源模块数字控制研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t d i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nt h ef i e l do f s w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) i tu s u a l l yc o n s i s t so ft h r e ek e yb u i l d i n g b l o c k s ： a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e a e “a d c ) ，d i g i t a lc o m p e n s a t o r a n d d i 舀t a l p u l s e - w i d t hm o d u l a t o r t h i st h e s i sh a ss u m m a r i z e dt h em o s ta d v a n c e dt e c h n i q u e s f o rh i g h f r e q u e n c ys m p sk e yb u i l d i n gb l o c k sr e p o r t e di nt h ew o r l d t h e r ea r em a n yd i f f i c u l tp r o b l e m st ot a k ei nt e c h n i q u e ，i fd i g i t a lp o w e rs u p p l y w a n t st or e a l i z et h ep r a c t i c a b i l i t ya n dm a r k e t a b i l i t y t h er e s o l u t i o no fa d ca n d d p w m b r i n g st h es y s t e mt h eh i d d e nt r o u b l eo f l i m i t e dc y c l es u r g e ，t h et i m e r e s o r t m a k ev o l t a g er a p i d l yd y n a m i cm o d u l m i o no ft h ep o w e rs u p p l yd i f f i c u l t ，a n dt h e d i g i t a lc o m p e n s a t o rw h i c hm u s tf i n i s hm u c hm u l t i p l i c a t i v ea n da d d i t i v eo p e r a t i o n i n t oo n es w i t c h - p e r i o di no r d e rt ou p d a t et h en e wd u t yi n f o r m a t i o ni sr e q u e s t e dt o n l ni nh i g h s p e e dm o d e t h i st h e s i s r e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nf o c u s e so nt h e s o l v a b i l i t yo ft h i sd i f f i c u l tp r o b l e m s m a k i n gu s es i s o t o o lb l o c ki nm a t l a b ，t h e p a p e rd e s i g n st h ed i g i t a lc o m p e n s a t o ra r i t h m e t i cn a m e d2 p 2 zb yd i r e c t e dd i g i t a l d e s i g n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n - p r o c e s so fh i g h f r e q u e n ts w i t c h i n g - m o d ep o w e r s u p p l y , t h i st h e s i sh a si n t r o d u c e dt h es e l e c t i o no ft h em a i ne l e m e n t s ，a n dt h ec k c m t h a sb e e no p t i m i z e db ys i m u l i n kb l o c ki nm a t l a bt or e s e a r c hs t e a d ya n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e i no r d e rt ov a l i d a t et h ea n a l y s i so ft h e o r ya n dt h ee m u l a t o rr e s u l t ，t h i sp a p e r d e s i g n s a n dr e a l i z e saf u l l - b r i d g e d i g i t a lp o w e rs u p p l ym o d u l eb a s e d o n d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 ，b y2 p 2 zd i g i t a la r i t h m e t i c d u et o t h ee x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n ， w i t hs t a b i l i z a t i o na n dg o o dp e r f o r m a n c e ，t h i sd i g i t a lp o w e rs u p p l yc a nm e e tt h e n e e do fa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d i g i t a lp o w e rs u p p l y , d i g i t a lc o n t r o l l e r , d i g i t a lc o m p e n s a t e d a r i t hm e t i c 西南交通大学曲甬父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密一，适用本授权书。 学位论文作者签名：侮饱 日期： d 锣牛乙f 指导教师签名：王远次 日期：呀垆2 j 西南交通大学四陶父迥大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 为了对理论分析和仿真研究进行验证，。本文设计实现了一款基于 d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 高性能数字信号处理器并采用2 p 2 z 控制算法的高频全桥拓扑大 功率通信一次电源整流模块。实验结果表明，该数字电源方案稳定可靠，性能 参数优异，能够满足应用的需要。 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 电力电子学是研究电能转换的一门交叉学科，其处理的功率范围相当宽， 从芯片电源管理系统( 1 0uw ) 到控制大功率电机的功率变换器( 1 0 0 m w ) 。随着 微电子技术和电力电子技术的发展于结合，电力电子技术朝着高频化、高效化 和智能化的方向发展。但是，随着现代科技的快速发展，许多高新技术产品， 比如在通信、医疗、仪表、自动生产线测试、检验等领域，不但需要配备高精 度、高效率、高电流密度、高功率、快速瞬时响应的电源才能工作，还要求电 源具有智能化，通讯连结能力，使得电压、电流、频率、相位和波形等参数可 进行实时监测和精确控制。同时先进的半导体工艺技术不但使元器件速度更快、 体积更小，而且它们还要求更低( 密度更大) 的供电电压和更高的供电电流， 呈现出系统的功能持续提升，而体积和平均售价则不断下降的趋势。这些因素 迫使电源设计者要不断开发出更加精确、响应速度更快、效率更高、体积更小、 成本更低和上市时间更快的电源产品。面对这些问题，传统模拟控制解决问题 方案正逐渐变得束手无策。在这种情况下，数控的开关电源成为解决这些困境 的关键技术【2 1 。 1 2 数控技术在电力电子行业的发展历史和研究现状 在过去的二十多年中，基于通用或专用微处理器、数字信号处理器以及可 编程逻辑器件等技术，数字控制技术在诸如电机控制、三相逆变、功率因素校 正等电力电子应用领域中已经普及开来。开关电源的数字化进程也有2 0 多年的 历史，大致可以分为三个步骤：最开始，也是最简单的数字化是通过数字接口 控制开关稳压器，包括通过1 2 c 或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或 多通道电源的排序，启动、裕度控制、加电和断电排序等都可以通过一个或多 个数字信号控制。 数字化持续发展则是在前者意义上加上所谓的“数字遥测”。在这种情况下， 提供额外的控制功能以监视开关电源的状态，如温度、输出电流、输入电流、 西南交通大学硕士学位论文第2 页 输入电压、输出电压等，并根据需要或周期性地向主机报告。i d 标记，故障状 态信息甚至时间标记事件等其他信息也可以存储在片上非易失性存储器中，并 在将来某个时间报告这些信息，具有大量数字集成电路的高端系统是这些数字 电源的目标市场，而较低成本的消费类产品可能不需要这样的信息。 而第三层次，也是进两年涌现出的的数字化才造就的最彻底数字电源，是 用数字电路彻底取代开关稳压器中的所有模拟电路。这个层次的数字电源的数 字化仍然是相对的，因为数字稳压器里仍然需要电压基准，电流检测电路和开 关以及m o s f e t 驱动器，同时电感，变压器和电容也是实现数字电源所不可缺少 的。通过编写代码，一个核心数字电源集成电路结合外围模拟电路可以配置成 升压稳压器、降压稳压器、负输出、s e p i c 、反激或正激式转换器。 1 3 数字控制的优势体现 传统的开关电源控制多采用模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统， 其缺点为：控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂；灵活性不够，硬 件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变；调试比较麻烦，由于元器件特性 的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移，会导致麻烦参数的漂 移，从而给调试带来不便。 随着高速、廉价的数字信号处理器( d s p ) 的问世，于是便出现了数字电 源( d p s ) ，其主要优点有：数字化更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模 拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰；便于系统调试，尝试各种不 同的控制方法；如果将网络通讯和电源软件调试技术想结合，可实现远程遥感、 遥测、遥调。 控制技术研究的发展是推动开关电源性能和技术水平不断提高的基本因素 之一，通过数字控制可以在同样的硬件环境下采用不同的控制策略，满足不同 情况下的不同需要。“小、轻、薄 是当今开关电源发展的主要趋势，数字控制 的应用大大简化了控制电路，因此也成为未来开关电源的发展方向之一。 1 4 数字电源的发展趋势和市场前景 随着越来越多的数控技术应用于电源管理，开关电源智能化的浪潮逐渐席 西南交通大学硕士学位论文第3 页 卷全球。越来越多的数字设备( 如微处理器控制) 对电源性能和功能要求越来 越高，除了对电压和电流的以外，新的电源控制器还需要满足许多其他规范要 求，如v i d 编程、线载调节、顺序上电、相位电流平衡以及监视和保护等。控 制器中的脉宽调制( p w m ) 功能只是整个电源控制系统所有功能中的小部分。数 控技术的不断发展以及控制器功能要求的不断增多，使得商界都十分看好电源 数字化的前景。市场研究机构i s u p p l i 公司电源i c 分析师c h r i s a m b a r i a n 表示， “3 0 年前电源行业开始转向m o s f e t 开关模式电源是次巨大的革新，而现在 电源数字化趋势可能是一个更大的革新浪潮”。随着数字化浪潮的普及，一直以 模拟信号为主导的电源管理领域也开始进入数字化概念，许多公司都纷纷推出 了各自的数字电源产品，如p r i m a r i o n ( p x 3 5 3 9 ) 、s i l i c o nl a b o r a t o r i e s ( s i 8 2 5 x ) 、 t i ( f u s i o nd i g i t a lp o w e r , u c d 9 k 、u c d 8 k 及u c d 7 k 系列辅助工具) 、p o t e n t i a s e m i c o n d u c t o r ( p s 一2 6 0 6 ) 、z i l k e r ( z l 2 0 0 5 ) ，于他们怀有同样目的的电源供应 商还有包括a d i 、i w a t t 、l i n e a r 、m a x i m 、i r 、o n s e m i 、p h i l i p p e 及v o l t e r r a 等。数字电源市场方兴未艾，据i s u p p l i 和雷曼兄弟公司的研究报告表明，整个 数字电源市场在2 0 0 6 年创收将达到1 6 8 亿。针对于有复杂控制或者高功率要 求的电源市场，业界估计其年增长率将超过1 0 0 。 1 5 论文的篇章结构 鉴于数字控制器的上述卓越优点和目前技术发展的局势，数字控制器在电 力电子应用领域中大有取代模拟控制器的趋势。然而，在高频开关电源领域中， 由a d c 、数字补偿器和d p w m 三不结构单元组成的数字控制器，要获得可以 与模拟控制器相比拟的性价比，必须同时具备快速、可靠硬件结构和简单、有 效的控制算法。 本文主要包括以下研究内容： 第一章简单介绍了电力电子数字控制研究的现状和发展前景，阐述数字控 制的优势。 第二章对数字控制器a d c 、数字补偿器和d p w m 三大结构单元进行了细 致的分析，并对其现有的技术进行了分类和总结，接着对d s p i c 芯片的内部架 构和外部结构进行了详细的说明。 第三章是本文的一个重点，对数字开关电源控制环路设计从思想、原理到 西南交通大学硕士学位论文第4 页 实现方法都进行了详尽的论述。在建立的环路模型的基础上，本章提出了利用 m a t l a b 中的s i s o t o o l 工具进行2 p 2 z 数字补偿算法。在此补偿算法基础上， 比较了直接间接两种不同的设计方法，并结合时滞效应通过例子比较了闭环系 统响应，对算法的合理性进行了验证。 第四章是本文研究的另一个重点，首先详细介绍了电源系统主电路与控制 电路的原理和设计过程，然后重点理论分析了数字补偿器的参数设计，并对其 实现的可行性进行了s i m u l i n k 仿真，最后通过实验对本章的理论分析和仿真结 果都进行了验证。 第五章对全文工作进行总结，并论文下一步研究工作进行展望。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 第2 章高频开关电源数字控制器 数字控制高频开关电源主要由两大部分构成( 如图2 1 所示) 。电源功率部 分由功率半导体器件、滤波环节组件以及传感器。而数字控制部分就是数字控 制器通过反馈搭建的控制回路【3 羽。 h d c d c 转 数字补 d p w m 、 i 换部分 偿器 ， a d c 1 传感器 y 。 图2 一l 开关电源数孚控制器 2 1 数字控制器结构概述 开关电源数字控制器就是由数字补偿器、模数转换器、数字脉宽调制器三 部分组成，如图2 - 2 所示为一种电压型p w m 数字控制器的结构框图。首先模数 转换器( a d c ) 得到将第f i 时刻输出电压虼采样转换为数字代码h 忍 ，与程序中 设定的基准做差即可得到数字误差代码d 甩】。数字补偿器( d i 百t a l c o m p e n s a t o r ) 将这些离散的代码通过在数字控制器中预先编号的算法程序计算 出新的占空比d 刀】。然后，数字脉宽调制器( d p w m ) 通过补偿器提供的占空比 代码d i n 】，输出组互补的门级驱动信号9 1 、9 2 来控制功率开关管的导通于 关断。 d n 】 d i n 】2d i n 一1 卜矿e 【n 】+ b + e n 一1 】+ c + e n 一2 】 d i g i t a lc o m p e n s a t o r e 【n 】 v 【n 】 9 一 i 4 - i v 时 器 ： s o f t w a r es e t t i n g ! 图2 - 2 电压型p w m 数字控制 v o 西南交通大学硕士学位论文第6 页 图2 3 示出用0 5 v , m 特征线宽的c m o s 超大规模集成电路工艺实现的数字 p w m 控制器的芯片布局图。其主要特点是：( 1 ) 开关频率较高，达到1 m h z ， 动态响应达到现代技术的模拟控制器水平：( 2 ) 不需要任何外部无源元件；( 3 ) 包括外存储器结构，面积是3 1 x 3 1 m m 。 i 二0 )、卜一。_ 。7 ：! 二一 l ”1 图2 - 3 数字控制器芯片布局图 2 2 数字补偿器 2 2 1 数字补偿器的工作原理与技术特点 在数字补偿器实际上可以看做一个数字滤波器。它的工作形式如下： d ( k ) = a l d ( k - 1 ) + a 2 d ( k - 2 ) + + b o e ( k ) + b l e ( k 一1 ) + b 2 e ( k - 2 ) + 。式中，d ( k ) 表 示在第k 时刻计算出来的占空比信息；e ( k ) 表示在第尼时刻的误差信号；系数 a ，、反为为补偿器的响应特性的具体参数。各个系数均为数字控制器通过编程 西南交通大学硕士学位论文第7 页 设置的常数，因此仅仅通过调节这些常数便可以调整和确定整个控制系统的控 制性能，充分体现了数字控制器在控制规律设计方面的灵活性。 为了实现快速的电压调节动态响应特性，该计算工作必须在一个开关周期 内完成。可见，补偿器需要在一个开关周期内完成尽量多的乘法和加法运算， 以便可以在最短的时间以保证在下一次电压采样到来之前内更新占空比信息 ， d 【托j ，从而避免产生较大的延迟，使控制性能得到影响，这对数字信号处理器 的运算速度提出了非常高的要求。 2 2 2 数字补偿器的设计方法 数字控制器的设计方法通常可分为两大类：间接数字设计方法和直接数字 设计方法。在间接数字设计方法中，首先基于电源的连续模型，在“s ”域设 计出模拟控制器的连续模型，然后将其离散化，转换为“z ”域中的离散模型； 而在直接数字设计方法中，首先将开关电源在“s 域中的连续模型离散化， 转换为“z ”域中的离散模型，然后在打z 域中直接设计数字控制器的离散模 型。另外，在从“s 域到“z ”域的转换过程中，存在若干不同的离散化方法； 而在“z ”域中直接设计离散模型时，也存在若干种直接数字设计方法。应用 不同方法会产生不同的控制器模型，其控制性能也会有所差异。其中间接数字 设计的离散花方法有很岁3 5 1 ，主要有积分法、零极点匹配法和保持等效法；而 主要的直接数字设计方法有：频率响应法、根轨迹法、无差拍法。 2 3 模数转换器 a d c 通过几十年的发展，出现了积分、逐次逼近、闪速式结构、管道式以 及最新提出的延迟线型和压频率振荡式型不同的架构。每种架构在转换电路和 电路复杂度等方面都各有优缺点【l5 1 。 2 3 1 闪速式a d c 基于闪速式的a d c 速度极快，所有位的转换同时完成，但要求高密度的模 拟设计，以实现完成转换所需要的数量巨大的比较器和参考电压。如图2 4 所 示，一个n 位分辨率的转换器需要2 n 一1 个并联的比较器，参考电压由一个电 西南交通大学硕士学位论文第8 页 阻分压网络设定，彼此相差v 愚2 n 。 参考 图2 _ 4 闪速式a d c 输入电压的改变通常会使多个比较器的输出状态发生变化。所有输出经一 个解码逻辑单元组合后产生并行的n 位输出。尽管这种a d c 速度极快，但其分 辨率受限于较大的管蕊尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所产生的 功率消耗。结构重复的并行比较器之间还要求精密地匹配，因为任何失配都会 造成静态误差，例如使输入失调电压( 或电流) 增大。这种a d c 还易于产生离 散的、不确定的输出，即所谓的“火花码”。火花码来源，主要有2 个：2 n 一1 个 比较器的亚稳态和温度计编码气泡，即不匹配的比较器延迟会使逻辑1 变成逻辑 0 ( 或反之) ，如同温度计中出现的气泡。 2 3 2 逐次逼近式a d c 这种转换器基于逐次逼近寄存器( s a r ) ，或称为位权衡转换。采用一个比 较器对输入电压和一个n 位数模转换器( d a c ) 的输出进行比较( 权衡) 。将 d a c 输出用做参考电压，经过总工n 次比较就可得到最终转换结构，其中每 次比较完成一位转换。 如图2 5 所示，这种变换器首先将d a c 的最高有效位( m s b ) 保存到s a r ， 西南交通大学硕士学位论文第9 页 接着将该值( m s b ) 对应电压于输入电压进行比较。比较器输出( 高或低) 被 反馈到d a c ，并在下一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路的时钟驱动下， s a r 不断进行比较和移位操作，直到完成l s b 位的转换，此时所产生的d a c 输出逼近输入电压的士i 2 l s b 。当每一位都确定后，转换结果被锁存到s a r 并 作为a d c 输出。 参 考 电 压 数 字 输 出 图2 5 逐次逼近式a d c s a r 转换器包括一个比较器、一个d a c 、一个s a r 和一个逻辑控制单元。采 样速率可达i m s p s ，功耗低，并且制造成本低。但其模拟设计要求较高且耗费 时间，与流水线转换结构相比，s a r 比a d c 输入带宽较窄和采样速率较低，但 不存在延迟问题。 2 3 3 流水线a d c 流水线a d c 被称为子区式a d c ，它由级联的若干级电路组成，每一级包括 一个采样保持放大器，一个低分辨率a d c 和d a c ，以及一个求和电路，求和 电路还包括可提供增益的级间放大器。流水线a d c 主要应用于：对总滤波失 真( t i d ) 、无杂散动态范围( s f d r ) 和其他频域特性要求较高的通信系统； 对噪声、带宽和瞬态响应速度等时域特性要求较高的c c d 成像系统：对时域 和频域参数( 如低杂散和高输入带宽) 都要求较高的数据采集系统。 快速精确的n 位转换为两段以上的子区( 或流水线) 来完成。首先执行较 粗略的m 位a f d 转换。接着由一个至少n 位精度的d a c 将转换结果回到2 m 个 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 模拟电平的某一个于输入求差。最后，由一个较“细”的k 位闪电式转换器对 差值进行转换，并将两级( 或更多) 的输入组合起来。图2 - 6 所示位一个1 4 位 5 级流水线a d c 。必须满足以下不等式以便于纠正重叠误差： 母m + k n ( 2 1 ) 其中，l 为级数，m 为各级中a d c m d a c 电路的粗分辨率，k 为精细a d c 级的 细分辨率，而n 就是流水线a d c 的总分辨率。大多数流水线a d c 包括数字误差 纠正电路，工作于各级之间。 n 位补偿输出 图2 - 6 流水线a d c 有些流水线a d c 还配有校正单元，用来补偿不理想的边界效应如温度漂 移或乘积d a c 中电容的失配。数字校正通常用于流水线中的多级( 并非所有) 电路，利用两个可引起m d a c 输出发生幅度等于v r e f 跃变的代码。任何于此 理想阶跃的偏高就作为一个误差进行测量各级转换器的误差被采集起来并存储 到内部存储器中，正常工作时再将结果从r a m 中取回并分别对流水线各环节 的增益和m d a c 电容失配进行补偿。 流水线a d c 不但简化了电路设计，它还具有如下优点：每一级的冗余位 优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性及低失调；每一级具有独立的采样 保持放大器，前一级电路的采样保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号处理速度，典型 洲 l o o n s ；功率消耗低i 很少有比较器进入亚稳态，从根本上消除了火花码 和温度计气泡，从而大大减少了a d c 误差；多级转换提高了a d c 分辨率。同 时它也存在如下一些不足：复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数 级电路造成流水线延迟；同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷的敏 感会影响增益的线性、失调及其他参数：对其他转换技术相比，对印制板布线 更为敏感。 2 3 4 延迟线a d c 为了解决传统a d c 速度与功耗以及芯片成本和高频抗噪声能力矛盾的问 题，有关学者提出一种基于延迟线( d e l a y - l i n e ) 的a d c 结构。在标准的c m o s 工艺中，信号在逻辑电路中的传播延迟t d 在一定条件下与供电电压v d d 成反比， 具体关系为， 乞2 k 丽k d d ( 2 - 2 ) 其中v t h 为m o s 器件的门限电压，它通常远小于供电电压v d d ，从而可看 出t d 与v d d 近似成反比。如果将一定数量逻辑门连接起来，便可以组成一个延 迟单元。每个延迟单元具有一个输入端、一个输出端和一个复位端。 图2 7 延迟单元结构 o 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 如图2 7 所示为一种可行的延迟单元结构，可以在其中添加更多的逻辑门 来实现对时延的控制。然后，将若干这样的延迟单元串接起来，组成一条延迟 线，就得到图2 8 这样的延迟线a d c 基本结构。在每个开关周期的开始，从输 入端输入一个测试信号“s t a r t ”；经过一个固定的时间间隔( t s a m p l e ) 之后， 产生一个采样脉冲，将各延迟单元的输出通过一串d 触发器采集到寄存器中。 2 3 5a d c 分辨率要求 因为a d c 转换器的分辨率，l 肋c 决定了输出电压的精密范围，其最小分辨 率应小于系统的允许电压纹波，即： 延迟 图2 - 8 延迟线a d c 基本结构 “腆一( 2 “。胛一1 ) a u 。h ( 2 3 ) 式中“d c 一为a d c 转换器的满程电压，a u 。为输出电压最大纹波值，h 为输出电压增益。因此a d c 转换器中的采样分辨率的位数应满足： 栉一w m 1 吲u 毗a d c _ m h a x 斗1 ) 】( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 按照通信电源的标准，a u o 取为2 0 0 m v ，如果我们令“d c 一嗽= 5 v ，h 令 为1 1 6 ，代入式中可得刀a ) c 苫。 2 4 数字脉宽调制器 模拟脉宽调制( 结构图见2 9 ) 的基本实现方法是由内部振荡器产生一个 频率恒定的锯齿波，与一个参考电压比较，将模拟电压值转变成的时间值用于 控制功率管。通过控制参考电压的大小，就可以调整方波的占空比。这种方法 在重负载时的效率很高，对负载变化跟随好，而且噪声频谱恒定，利于进行电 磁兼容设计；缺点是当负载较小时，控制电路的工作电流在总功率比例中上升， 导致效率下降，静态功耗增加。 控 图2 0 模拟脉宽调制 数字脉宽调制器( d p w m ) 的输入信号是数字信号，因此它用于数字信号 到时间信号的转换。由图2 1 0 所示，通过时间量化环节将一个开关周期量化成 许多时间分格，然后根据输入的数字信号d n 】来选取合适的时间分格数，得到 所需的脉冲宽度即占空比。由于不连续的量化导致输出电压的不连续，因此， 一个分辨率较低的p w m 将引起极限环的出现，进而增加输出电压纹波，影响 系统的稳定性。因此，需要对d p w m 的分辨率、时钟频率，功耗面积等提出 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 更高的要求【2 2 1 。 目前主要采用的d p w m 主要有2 种基本结构，分别采用计数器和延迟线来 实现【2 8 1 。 2 4 1 计数器型d p w m d 【n 】 图2 1 0 数字脉宽调制 计数器型d p w m 通过一个快速的时钟计数器对锯齿波直接进行数字模拟，从 而实现了以锯齿波规律周期变化的数字编码。在每个周期的开始时刻，功率开 关导通；每过一个时钟周期，计数器加一；当计数器值达到终端计数值d l n 后， 产生装载脉冲电平，从而使比较器输出电平反转，使功率开关管关闭，以实现 数字信号向模拟信号的转变。基于计数器的d p w m 在计数器为n 位时，将开关周 期t 。等分为2 “份，此时d p r f i q q l 的时钟频率需要达到2 “t 。当分辨率比较高，即 计数器位数n 取高，所需要的时钟频率非常高，所带来的功耗等问题给设计提 出了很高的要求。 2 4 2 基于延迟线的d p w m 基于延迟线的d p w m 解决采用了计时器d p w m 时时钟频率过高的问题，它采 用的是外部输入的开关频率时钟。其采用的延时单元组成延时线，由于延时单 元传输时间的相同在延时线上等效均匀量化时间，然后输入的数字信号d n 利 用多路选择器来选取时间。当新的一个时钟周期到来时，触发一个脉冲信号， 设置输出p w m 处于高电平状态。脉冲继续在延迟线环节中继续传播，当被外部 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 数字信号在多路选择器选中时，再次作用触发器使输出p w m 变回低电平状态。 此时丌关频率与延时线没有任何关系，延时单元的个数2 “直接代表着占空比的 分辨率，当占空比设计为最大的时候应该对应的延时单元最大的个数。其延时 和多路选择环节如图2 - 1l 所示。 图2 1 1 延时和多路选择环：符 若设计延迟线为闭环模式，如图2 - 1 2 所示，可将d p w m 处于延时锁相环( d l l ) 模式。此时丌关频率直接与延时单元个数对应，此时利用输入数字信号2 “可以 得到较精确的占空比。 图2 1 2 闭环模式延时线d p w m 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 2 4 3 混合型的d p w m 计数器和延迟线式这两种典型架构都有致命的缺点，在高分辨率高精度的 要求下，单独使用计数器会带来相当客观的功耗，单独用选择延迟线式会使面 积急速增加，因此在实际实际d p w m 设计应用中，考虑到功耗、面积、成本、 电路复杂度等各种条件，一般采用混合型d p w m 。在混合式结构中，输入的时 间选取信号d 【k 】分为高低位，分别用连接计数器和延迟器两个子电路得到粗略 脉宽和精细脉宽，经过合并得到整个d k 】对应的精确脉冲宽度。这种混合方式 综合了计数器和延迟线各自的优点，可以使d p w m 很好地随着输入信号的变 化改变输入占空比，符号所需要的设计要求【3 2 】。 2 4 4d p w m 分辨率要求 数字p t t l 是把占空比d 从幅度值转换为时间值，通过控制主电路开关的导 通和关断来调节u 。数字p w m 的分辨率关系到的稳态精度。若d p i 】| m 的分辨 率n d p w m 万彳d c ，则a d c 转换器将无法找到合适的输出电压，以供d p w m 参考使用，a d c 转换器的l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 会因d p w m 所调整出的 u 。无法配合甩优而一直改变，这一结果会使系统无法锁住u 。，而产生极限环振 荡。图2 - 1 3 所示为n d p 开q 。4 行d c 时，某电路输出电压和输出电流出现极限环振 荡的波形图。 为了避免小周期振荡，必须满足占空比1l s b 引起u 。的变化量小于a d c 转换器1l s b 对应的参考电压值，即： u 如z x m ( d ) l 0 9 2 ( 等2 一4 ) 】 ( 2 6 ) 当刀爿d c 为1 0 位的时候，由上式得n d p w m 至少为1 2 3 6 位，才能尽可能的 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 避免极限环振荡。但由于闭环系统量化器材的非线性，仍然可能导致极限环振 荡。 图2 - 1 3 极限环振荡 2 5d s pic 数字信号控制器 由美国m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系列单片机产品，采用了r i s c 结构，不 但解决了传统冯诺依曼结构单片机的“瓶颈”问题，并以高速度、低电压、 低功耗、大电流驱动能力和低价位o t p 及f l a s h 技术等特点，使其从众多同类 单机产品中脱颖而出，成为了世界上8 位微控制器中最有影响力的主流嵌入式 控制器之一。 2 5 1d s p i c 概述 单片机和d s p 各有特点，前者控制功能强，后者数字信号处理能力强，因 而将高性能的1 6 位单片机加上d s p 功能，就产生了d s p i c 芯片n 钔。 d s p i c 作为种将单片机的特征同d s p 的能力结合在一起的器件，它在异步 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 事件处理能力、精密仿真、常见的开发环境以及外围部件等方面都表现出了强 大性能，代表作就是目前在市场上销售火爆的d s p i c 3 0 f x x x x 系列。考虑到d s p 和单片机的内部区别，d s p i c 器件将高性能1 6 位单片机控制特点和d s p 高速运 算的优点相结合，为嵌入式系统设计提供了适合单芯片，单指令流的解决方案。 它消除了目前类似设计中所需求的额外组成部分，从而减小了印制板空间，也 降低了系统成本，d s p i c 3 0 f x x x x 系列高性能单片机可以应用于非常广阔的范 围。 由于d s p i e 兼容了单片机和d s p 芯片这两类产品的优点，因此它具有下面 的特点：丰富的外围部件；完整的d s p 引擎；改进的中断能力；f l a s h 存储 器，灵活的重编程能力：强大的开发环境：引脚数少；使用优化的高级语言： 方便p i c 系列单片机用户移植现有的代码；熟悉的类似单片机的用户开发平台。 此外，d s p i c 还可以支持4 m x 2 4 位的可寻址f l a s h 程序存储体，以及 3 2 k x1 6 位的数据存储空间。相对于其他许多单片机的5 v 供电以d s p 的3 3 v 供电，d s p i c 的供电电压比较灵活，为2 5 - 5 5 v 。 2 5 2d s p i c 芯片内部架构 d s p i c 芯片采用1 6 ( 数据) 改进型即非流水线的哈佛r i s c 结构，同时具备 高性能的1 6 b i t 微控制器的控制优点和全面执行d s p 的高运算速度，为嵌入式 系统设计提供紧密耦合的单芯片单指令流。芯片具体架构如图2 - 1 4 所示。程序 计算器( p c ) 为2 4 位宽，可以寻址4 m x2 4 位的程序存储器空间。 d s p i c 3 0 f x x x x 有1 6 个1 6 位的工作寄存器( w o - - - w 1 5 ) 。每个工作寄存器都 可以作为数据、寻址或移位寄存器来操作。其中，第1 6 个工作寄存器( 即w 1 5 ) 作为中断和程序调用的堆栈指针。 ： d s p i c 3 0 f x x x x 指令字是2 4 位的，其指令系统有很大的增强，最大特点 就是包含了对d s p 的支持。因为这种d s p 引擎具有1 个高速的1 6 位与1 6 位 相乘的乘法器、1 个4 0 位的a l u 、2 个4 0 位的饱和累加器以及一个4 0 位的双 向移位器，因而能够明显提高芯片算法能力和周期。因此，这种芯片的指令系 统就分成两大类单片机类和d s p 类。这种指令系统基于高校的c 编译器， 支持固有寻址( 无操作数) 、相对寻址、立刻寻址、存储器寻址、寄存器直接寻 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 址、间接寻址和移动寻址等7 种方式。每条指令都同预先定义的寻址方式有关， ， 2 4 地址锁存器 程序存储器 ( 1 2 k ) 敷据镜存器 p c up c hp c l 程序计数器 堆栈控制逻循环控制 辑逻辑 一产一一 2 4悃一一 1 6 夕1 6 数据镄存器 x 数据r a m ( 2 5 6 字节) 地址锁存器 1 6 1 6 1 6 yx r g u a g ux w a o u 五 ，1 6- 1 6 回囤圈甲 产 1 6 自豳豳自 旧器il 萎麓差ii 湍ffu a 盯i l j l _ jl _ j l 一 图2 1 4d s p i c 内部架构 而这些预定义的寻址方式是由特定功能需求决定的，且每条指令都支持这7 种 寻址方式。对于大多数指令，d s p i c 3 0 f x x x x 芯片在每个指令周期能够执行数据 ( 或程序数据) 存储器读操作、工作寄存器( 数据) 读操作、数据存储器写操 作和程序( 指令) 存储器读操作。因此，它可以支持3 操作数的指令，比如， 一一一一一 b 西南交通大学硕士学位论文第2 0 页 在一个周期内完成a + b = c 的操作。 d s p i c 3 0 f x x x x 的数据空间被一分为二，分别以x 和y 数据存储器进行 引用，可以作为3 2 k 字( w o r d ) 或者6 4 k b ( b y t e ) 进行寻址。每个存储器块 都有自己独立的地址产生单元( a g u ) 单片机类的指令仅单独通过x 存储器 的a g u 单元进行操作，把整个存储器作为一个线性的数据空间进行寻址。而 d s p 类指令的乘法累加器( m a c ) 是通过x 和y 的a g u 共同操作的，这样就 将数据地址空间分为相对独立的两个部分。不过，这样的x 和y 的数据空间边 界是任意的，且是由芯片自身特性所决定的。数据空间存储器高位的3 2 k b ，通 过定义8 位程序空间可见页面寄存器p s v p a g ( p r o g r a ms p a c ev i s i b i l i t yp a g e ) ，任 意的1 6 位程序字边界中随意地被映射到的程序空间低位( 用户空间) ，这样就 使得任何指令能够像访问数据空间一样访问程序空间。不过，采用这种方式访 问的执行时间比一般的访问要多一个周期。而且，只有每条指令字的低1 6 位才 可以使用这种方法访问。 d s p i e 芯片不支持多级指令流水线，而采用单级指令预取机制，就是可以 在利用的最大执行时间前的一个周期访问指令。因此，d s p i c 芯片大多数指令 是单周期的。此外，d s p i c 3 0 f x x x x 还有个特征，就是含有由6 1 个区优先级的 向量组成的矢量异常处理结构，这些异常情况包括复位( r e s e t ) ，6 个捕捉以 及5 4 个中断。 2 5 3d s p i c 芯片接口功能及应用 因为d s p i c 具有动态重新配置数据存储器结构在保留数字信号操作所需的 数据存储器接入带宽的同时，还可保持单片机指令通常的数据空间，因此单片 机的外设和使用方式依然不变，并可以提供有效的编译性能。 d s p i c 系列的p i c m i c r o 结构提供了单片机高性能外设，包括单循环指令和 容错振荡器，具有8 中捕获功能和8 种比较功能，以增强脉宽调制的灵活性。 在通信功能方面，d s p i c 系列还提供了r s - 4 8 5 类型的u a r t 、i2 c 、s p i 、a c 9 7 和c a n ，以扩展外设功能。d s p i c 具有一个专用电源转换脉宽调制和正交编码器 接口，还具有多达5 个1 6 位计时器、一个看门狗计时器和6 8 个双向输入输出 端口。 西南交通大学硕士学位论文第2 1 页 在c p i j 和外设关闭状态下或者在c p u 关闭但外设继续运行状态下，看门狗 计时器和实时时钟会自动生效，此时有多种低功率操作模式可以选择。锁相环 路选项、时钟分频( 分隔) 器、3 2 k h z 模式和一个快速启动内部r c 振荡器模式 都可以管理功耗。 d s p i c 还具有m i c r o c h i p 的在线串行编程( i c s p ) 技术，可在器件安装到主 板之后再对其进行编程。这样一来，就提供了极大的灵活性、缩短了开发和生 产周期，加快了产品面市速度。i c s p 技术还可以降低升级成本，以及制造系统 标准、系统唯一识别码和系统标准的成本。 d s p i c 电源转换系列均具有一个功能全面的p w m 单元和1 0 位高速模数转 换器( a d c ) ，适用于d c d c 转换器、a c d c 电源和u p s 不间断电源，给高频数 字开关电源的应用提供了一个理想的解决方案。 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 第3 章开关电源控制环路设计 上一章详细介绍了数字控制器以及d s p i c 应用于数字高频开关电源的一些 独特架构，下面将讨论如何使用d s p i c 设计控数字补偿器，、使系统达到实际所 要求的性能。由于采用电压型控制策略可以使数字控制器只需要通过a d c 检测 输出电压一个变量