當(dāng)今時代，電力電子數(shù)字化的浪潮正在以不可阻擋的趨勢席卷以前的傳統(tǒng)的模擬電源行業(yè)，因此，如何從模擬電源向數(shù)字電源轉(zhuǎn)換，是每個模擬工程師需要認(rèn)真考慮的問題。
數(shù)字電源有配置靈活，可以實(shí)現(xiàn)多種算法的集成，反饋不易受干擾，好加密等優(yōu)點(diǎn)，但也正是這些數(shù)字電源的特點(diǎn)，成為橫亙在模擬工程師前面的巨大障礙，導(dǎo)致許多工程師還沒開始就已放棄。數(shù)字電源與模擬電源最主要的區(qū)別在于控制環(huán)路和采樣環(huán)節(jié)是數(shù)字化的。因此對于數(shù)字電源的設(shè)計，我們就主要關(guān)注反饋控制環(huán)路如何設(shè)計，被控量采樣ADC是如何處理數(shù)據(jù)的。本文不會堆砌數(shù)字電源的概念和公式，而是嘗試用一種看得見摸得著的方法來展示數(shù)字電源倒底是如何工作的。使模擬工程師建立起對數(shù)字電源的感性認(rèn)識，而不是因?yàn)槊媲袄щy被勸退。
雖然本文說是初學(xué)者入門，但是初學(xué)者是指數(shù)字電源的初學(xué)者，而不是電源的初學(xué)者，在此，筆者需要強(qiáng)調(diào)一下讀者要具備的一些基礎(chǔ)知識：
1）要了解buck電路原理。下面的例子中會用到這個電路，相信讀者都已經(jīng)具備了這樣的知識。
2）明白反饋的類型，如電壓型、峰值電流型、平均電流型。不明白可以網(wǎng)上查查相關(guān)的概念，很容易明白。例子中用到的是峰值電流型反饋。
3）知道如何判斷模擬電源反饋控制環(huán)路穩(wěn)定性，了解諸如“穿越頻率”“幅值裕度”“相位裕度”的概念。
4）要會C語言。這是數(shù)字電源，要寫程序的，不會C語言就別往下進(jìn)行了。這里的“會”，其實(shí)并不要求多“深”，但最少要會“條件語句”、“循環(huán)語句”，知道數(shù)據(jù)類型”char“、“int”“數(shù)組”應(yīng)該就夠了。本例中，自己親自動手寫的代碼不會超過30行，所以這個門檻還是很低的。至于“指針”等更深的內(nèi)容，會更好，不會也無所謂，本文中還用不到這些。
下面就以dspic33系列dsp單片機(jī)為例開始講解。對于數(shù)字電源的學(xué)習(xí)來說，需要準(zhǔn)備一個開發(fā)板，“Digital Power Starter KIT”的開發(fā)板，就是面向初學(xué)者的。如圖所示：
正面
背面
該開發(fā)板從硬件到軟件設(shè)計的很不錯，但是對于初學(xué)者來說還是有幾方面問題：
1）數(shù)字電源的初學(xué)者應(yīng)當(dāng)將所有注意力聚焦在，反饋控制系統(tǒng)和采樣環(huán)節(jié)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化這些方面上，而不是被LCD顯示和通訊等非數(shù)字電源必要功能所分散注意力。
2）該開發(fā)板軟件內(nèi)嵌匯編語言，需要對CPU內(nèi)核指令有較深了解，對初學(xué)者尤其是對沒有任何編程基礎(chǔ)的模擬工程師并不友好。
3）該開發(fā)板軟件并不是通過代碼生成器自動生成的，要手動編寫外設(shè)的配置文件，這對初學(xué)者來說，編程工作量較大，容易出錯，而且比較分散精力，不容易抓住問題的重點(diǎn)。
4）比較貴。老外做的東西嘛，成本高，個人感覺不值那個價。對于一個硬件工程師來說，讓別人從硬件上賺我們的錢始終是令人不舒服的一件事。最大程度上降低我們的學(xué)習(xí)成本，應(yīng)該把錢花到刀刃上。
5）全英文，筆者完整看了一遍官方自帶的幫助文件，挺長時間的，雖然是原汁原味，但對英文不太好的讀者來說，看起來有些費(fèi)勁。英文好的讀者就當(dāng)沒看見好了。
基于上面幾點(diǎn)的原因，筆者在這個開發(fā)板的基礎(chǔ)上，根據(jù)手中現(xiàn)有的元器件，按照自己的想法重畫了一個開發(fā)板。下圖所示：
官方的開發(fā)板和后面筆者畫的開發(fā)板原理圖在本文的附件中提供。
筆者設(shè)計的開發(fā)板主要由以下幾部分組成：
1）Buck電路：輸入電壓12V-20V，輸出4V / 1A。
2）Boost電路：輸入電壓12V-20V，輸出20V / 0.5A。
3）CAN通訊和串口通訊。
4）2路溫度測量和開關(guān)。
對于初學(xué)者來說，電源的數(shù)字化最主要的是：1.被控量采樣的數(shù)字化。2.反饋補(bǔ)償器的數(shù)字化。3.PWM發(fā)生器的數(shù)字化。4.峰值電流比較器的數(shù)字化。而主功率變換電路和傳統(tǒng)的模擬電源沒有區(qū)別。如下圖所示，就是數(shù)字控制環(huán)路的簡圖，采用的是峰值電流型控制方式。我們的主要工作就是設(shè)計數(shù)字補(bǔ)償器的算法、設(shè)置正確觸發(fā)ADC采樣的時間、數(shù)字PWM工作方式、dsp內(nèi)部比較器的配置等。
現(xiàn)在先以BUCK電路為例，介紹如何一步一步搭建數(shù)字電源的控制系統(tǒng)。
本文中用到的dsp單片機(jī)的型號是dspic33ep128gs806。用到的開發(fā)環(huán)境是MPLAB X IDE v5.35，其中包含mcc插件是MCC v4.0.2，這里的mcc插件是用來自動生成外設(shè)配置代碼的，能大幅減少了程序員的工作量，另外需準(zhǔn)備一個PIC燒錄器，筆者用的是PICkit3。
1）打開MPLAB X IDE軟件，先新建一個工程文件，然后一步一步配置
按“Finish”后，在主界面中，打開MCC插件，單擊紅圈位置。
2）配置系統(tǒng)時鐘
MCC啟動后的界面如下：
在“1”中，將dsp中可以用到的外設(shè)通過綠色的“+”號添加到“2”中，可以看到已經(jīng)添加了一些外設(shè)了。在“2”中的System下，點(diǎn)擊“System Module"會出現(xiàn)"3"窗口。
首先配置dsp的系統(tǒng)時鐘
我們用的外部振蕩器是12MHz的晶振，將dsp的系統(tǒng)時鐘配置為60MHz，PWM和ADC需要用“Auxiliary Clock"，配置為240MHz的時鐘頻率。
3）配置數(shù)字PWM
首先要將”Enable PWM"勾選上。因?yàn)樵谟布?，我們是用PWM1來控制BUCK電路的mos管的，所以有關(guān)buck電路的PWM參數(shù)要在這里配置。選擇了“獨(dú)立時基模式，獨(dú)立占空比，邊沿對齊”PWM時基工作模式，至于這是什么意思，那就需要讀者自己查看器件手冊了。通過配置相關(guān)的寄存器，就把PWM的周期設(shè)置為10us（即100KHz工作頻率），最大占空比設(shè)為45%。
接下來繼續(xù)配置PWM1中剩下的功能。
“1”PWM的I/O輸入輸出腳要配置成“互補(bǔ)模式”。“2”配置PWM的限流源為CMP2，即dsp內(nèi)部比較器2。因?yàn)樵贐UCK電路中用CMP2做為限流比較器。“3”需要配置當(dāng)比較器2產(chǎn)生限流狀況時，同步降壓電路中兩個MOS管的工作狀態(tài)。從配置位中可以看出，當(dāng)電流互感器的電流超過設(shè)定后，buck電路主MOS管處于低，續(xù)流管處于高。“4”最后設(shè)置互補(bǔ)驅(qū)動前后沿的死區(qū)時間，前后沿都設(shè)為530ns。因?yàn)楸纠杏玫降尿?qū)動芯片IR2181延時較大，為了避免主開關(guān)管與同步續(xù)流管直通，所以死區(qū)設(shè)置較大。
令外還有一項(xiàng)非常重要的配置需要講一下，就是主MOS管電流采樣時的“前沿消隱”。因?yàn)樵谥鱉OS管開通的瞬間，主MOS管電流會出現(xiàn)較大的尖峰，如果不進(jìn)行“消隱”會干擾電路的正常工作。如下圖，點(diǎn)擊“Registers”，相應(yīng)的“CLLENEN”和“PHR”設(shè)置成“enabled”。這兩項(xiàng)是告訴PWM發(fā)生器，在限流輸入情況下且PWM輸出高電平的上升沿時，PWM要進(jìn)行“消隱”
至于要消隱多長時間，要由下面的寄存器來設(shè)置，先設(shè)一個較大的值，實(shí)際工作中再進(jìn)行調(diào)整。
至此數(shù)字PWM的所有相關(guān)的設(shè)置工作全部完成。
4）配置ADC
ADC采樣比較簡單，如圖：
“1”使能ADC，“2”選擇ADC采樣時間，越短越好。這個值極大影響數(shù)字控制環(huán)路的穩(wěn)定性，這里選20ns。“3”輸出電壓采樣是連接到DSP的AN5通道，所以選“AN5”。“4”要設(shè)定ADC的“觸發(fā)源”。這里用“PWM1 Primary Trigger"
"5"告訴dsp在ADC采樣完成后，要進(jìn)入中斷處理。
5）限流比較器
“1”使能比較器，“2”選擇采樣電流是通過比較器哪個引腳進(jìn)入比較器的，在硬件中是通過CMP2A進(jìn)入比較器的，所以選CMP2A。“3”使能比較器的數(shù)字濾波功能，抗干擾。
6）代碼的自動生成
所有用到的外設(shè)都設(shè)置完成后，沒有提到的部分就都用默認(rèn)值。然后自動生成代碼。
如圖，單擊“Generate”，生成的代碼的結(jié)構(gòu)如下：
我們就不必關(guān)心其它的問題了，專注于控制環(huán)路算法的編寫。
7）控制環(huán)路算法
其實(shí)數(shù)字電源的控制環(huán)路的算法有很多，在本例中，就以最經(jīng)典的PID算法來講講。本例中只是用到了PI補(bǔ)償器，就能使電路穩(wěn)定，并沒有加入微分的部分。數(shù)字電源的環(huán)路算法都是在ADC中斷中進(jìn)行計算的，所以雙擊“adc1.c”文件。如圖
在“ADC1_channel_AN5_CallBack”函數(shù)中寫PI算法。該函數(shù)是一個回調(diào)函數(shù)，即ADC完成采樣后，會自動執(zhí)行該函數(shù)里的指令。在寫算法前，需要定義幾個用到的變量。
u_N為補(bǔ)償器輸出的當(dāng)前值，u_P為上一次補(bǔ)償器輸出值，e_N為誤差的當(dāng)前值，e_P為上一次的誤差值，setpoint_buckV為輸出電壓的設(shè)定值。ADCBUF5就是ADC采樣的輸出電壓的值，是數(shù)字量。所以：
根據(jù)AN5通道的ADC采樣是12位的采樣率，且ADC的參考電壓為3.3V。所以根據(jù)setpoint_buckV的值可以算出buck電路的輸出電壓為：
PI算法的公式如下：
按照上面的公式，寫程序。
有一點(diǎn)要說明的是，Kp和Ki一般為小數(shù)，而我們的dsp程序?yàn)榭焖偻瓿伤惴ǖ挠嬎悖兞慷级x的是整型數(shù)，而不是用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)類型。所以為了能用整數(shù)來計算小數(shù)，我們就先將Kp、Ki和u_P都左移13位，計算完成后再右移13位，這樣就能即保持一定的精度，又能以較短的時間完成環(huán)路的計算。
通過反復(fù)調(diào)整Kp和Ki的參數(shù)（具體方法后續(xù)文章中再闡述），就能使環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定，最終Kp=3.72 Ki=0.0977。
當(dāng)算出了當(dāng)前的u_N，并做最大最小值限定后，直接更新CMP2DAC這個寄存器即可，這樣就能將u_N這個數(shù)字量通過數(shù)-模（DAC）轉(zhuǎn)換變成模擬量，這樣才能與MOS管電流的采樣模擬值做比較，完成控制環(huán)路的閉環(huán)。
至此，數(shù)字電源控制環(huán)路設(shè)計工作全部完成?？梢钥吹轿覀兪謩訉懙拇a只是在ADC中斷中寫的PID算法的公式，就完成了整體的數(shù)字控制環(huán)路。非常簡捷直觀的展示了數(shù)字控制環(huán)路的工作流程。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量該電源的控制穩(wěn)定性。額定輸入電壓15V，輸出電壓4.1V
輸出電流1A（穿越頻率1.2KHz，相位裕度83.5°。）
輸出電流0.5A（穿越頻率3.1KHz，相位裕度81°。）
輸出0.1A（穿越頻率3.1KHz，相位裕度73°。）
輸出0A（穿越頻率2.3KHz，相位裕度82°。）
同步降壓電路的驅(qū)動波形（因?yàn)樗x驅(qū)動芯片的原因，驅(qū)動速度較慢，不得不將死區(qū)設(shè)得的比較大。）
1A負(fù)載條件下輸出紋波（峰峰值215mv）
負(fù)載階躍響應(yīng)
輸出電流1A減到0A（向上過沖90mv，恢復(fù)時間945us）
輸出電流從0A加到1A，幾乎測不出變化。
總結(jié)：
通過上面講述的過程，向讀者大致展示了數(shù)字電源控制環(huán)路的設(shè)計方法，使讀者對數(shù)字電源有了一個具體的認(rèn)識，激發(fā)初學(xué)者的興趣。當(dāng)然，其中的一些具體的技術(shù)細(xì)節(jié)并沒有詳細(xì)說明，有時間會在后續(xù)文章中闡述。