樊 峰

（樊氏科技发展有限公司，山西 太原 030012）

0 引 言

我国信息化技术不断发展，自动化产业规模不断扩大。电源是维护整个系统正常运行的核心环节，需要具备较高的稳定性、可靠性以及安全性，且应具有一定的可检测性。其中，数字化电源与传统电源相比具有优势，如控制设计相对灵活，可更好地提升DC/DC变换器性能，有效改变电路瞬间响应，提升其可靠性和精确性。

1 开关电源的工作原理

开关电源主要是指在电路中的电力电子器件工作在开关状态下的电源。运行过程中，它需要具备开关、高频以及直流条件。其中，开关主要是指电力电气器件工作在线性状态，高频主要是指电力电子器件工作中在高频状态，直流的电源输出以直流为主[1]。在开关电源开启的过程中，将电路中的交流电源转换成直流电压，然后根据逆变器转变为高频交流方波脉冲电压。其中，逆变器在输出过程中需要通过爆破变压器隔离转变为交流电压，最终转变为直流输出电压。

2 数字化控制电路优势

2.1 可靠性

数字控制器与传统模拟控制器相比具有较高的可靠性，其中数字控制器中模拟元器件使用相对较少，所以可以有效增加系统中平均无故障工作时间，如有数字控制器构成的反馈环路中省去了补偿网络。其中，数字信号处理器与模拟器相比，工作环境影响因素相对较小，且具有较高的抗干扰能力，在使用过程中不易老化。此外，数字控制器能够通过预警、监视等功能提升系统工作可靠性。比如，能够通过有效监视系统温控全面降低电流限制值，或者通过打开风扇的方式有效降低对风扇、电源器的压力，提升系统可靠性，消除对器件规格的额外要求。

2.2 灵活性

数字控制器不但具有较高的稳定性，而且具备灵活性。传统模拟控制器主要是对元件参数值进行有效调节与改变来实现其控制规律，会浪费一定的资源，且周期设计相对较长。数字控制器主要是根据软件编程进行控制规律的修改，还能够根据分句仿真验证，提高设计工作的灵活性。若电源性能发生了改变，在对模拟控制器进行修改的过程中，需要对电路、布线以及刻板等实施重新设计；在对数字控制器进行修改的过程中，能够通过编程增加、删除以及修改控制参数，以大大缩减设计周期[2]。比如，能够在不对硬件进行修改的情况下，对同一个电压调节器模型实施有效编程，以满足不同处理器的规格需求。此外，数字控制器还能集成通信功能，所以可有效实现不同系统的继承和级联。

2.3 兼容性与集成性

数字控制器能够与其他数字设备进行有效连接，且具有兼容优势。在较多产品中，一些数字设备中开关电源的使用要求越来越高，如节约功耗、运行模式以多级输出等。所以，为了确保提升系统的整体性能，需要电源接受数字设备的统一管理，其中质量轻和体积小是便携设备较为重要的需求。此外，数字控制器消除了难于集成的模拟器件，更易使电源控制部分面积最小化，且可与电源的功率级以及设备其他部分共同集成一个芯片，以实现片上系统。

3 开关电源的软开关技术

开关电源的使用年限主要是由模块内部的温度决定，其中温升高度由模块运行效率大小决定。目前，我国市场中所使用的开关电源一般将脉宽调制技术作为主要技术，其英文缩写为PWM。其中，硬PWM控制型开关电源在使用过程中存在一定的缺陷，在提高工作频率的过程中会影响器件质量以及尺寸，在高频率环境中还会大大增加开关损耗。所以，一般情况下将工作频率限制在一定范围内。此外，PWM型开关电源运行损耗主要是开关过程以及导通状态下的损耗。然而，开通损耗主要是储存在新载开关中的寄生电容能量的突变引起的[3]。开关管关断过程中，会使漏感中的电压出现尖峰值。需要注意，尖峰值是由电压随产生的。为了确保有效控制开关器件的应力，需要使用缓冲电路，而缓冲电路也会在较大程度上出现能量损耗。

4 高频开关电源数字控制器

4.1 数字补偿器设计

数字补偿器的设计方法主要分为直接数字设计方法和间接数字设计方法。在间接数字设计过程中，需构建电源模型，并在相关区域设置连续模型，再对其进行有效的离散化，之后设计Z区域中的离散模型。在进行直接数字设计的过程中，在Z区域中进行数字控制器中的离散模型的全面设计。此外，在此转换过程中会产生多种离散化方法，在Z区域中进行离散模型设计有较多种直接数字设计方法。由于不同方法会产生不同形式的控制器模型，使控制器模型的控制性能也有较大差异性，因此数字补偿器设计方法需要根据实际情况进行针对性设计。

4.2 控制策略和控制算法

4.2.1 数字控制策略

在模拟控制过程中，需要在动态响应性能要求的基础上采用有效的控制策略，主要有双环电流型控制、单环电压型控制以及V2型控制等。此外，在数字控制期间，需要在模型转换器的基础上有效转变检测量，以将其转换成数字量，再根据一定的控制算法实施有效的调节规律。所以，在模拟控制过程中使用的控制算法在数字控制期间依然能够有效应用。其中，电压型数字控制器只需通过ADC检测输出电压一个变量，并进行控制环节的有效设计。所以，分析设计过程相对简洁，可有效实现数字控制器，是该领域研究最早的高频开关电源数字控制器。在电流型数字控制器中需要使用较多的ADC，且控制算法和控制环路相对繁杂，为了实现在高频开关电源中较好地应用数字控制器，需要优化性能，全面提高其速度。

4.2.2 数字控制算法

所有控制方法均需要控制算法提升其控制规律。比如，在模拟电压型控制过程中，一般主要是设置放大器电阻和电容值，以有效控制补偿器。由于在对数字控制规律进行设计的过程中需要借鉴模拟控制经验来完成，因此PID算法在数字控制中具有较为广泛的应用效果，甚至处于主导地位。此外，在主流ADC架构中，有逐次逼近寄存式、闪速式等。不同构建在电路复杂性和转换速度方面具有各自的优缺点。其中，闪速构建主要是比较器以一定的分辨率对模拟信号实施测量。闪速式架构速度相对较快，主要是因转换过程可在一个周期内完成，但是结构相对复杂，需要使用较多比较器，具体见图1。

图1 闪速式架构

逐次逼近寄存式构架主要是使用比较器在不同周期内逐位完成转换过程，其中只需一个比较器与n位数模拟转换器DAC，但需n个比较周期才能达到n位分辨率，转换过程较长，且在反馈环路中引入了较大的相位延迟。

4.3 基于计算器的DPWM

DPWM主要是通过快速计算器对锯齿波直接进行有效的数字模拟，以实现锯齿波规律周期变化的数字编码。此外，在不同周期开始阶段，功率开关导通，每经过一个时钟周期，计算器加1。比较器在检测过程中检测到计算器输出与d相同时，DPWM输出翻转，切断功率开关，以此达到对时间分格选取的目的。

5 高频开关电路小信号模型的建立

目前，状态空间平均法在我国一些变换器建模中有较为广泛的应用，如AC/DC变换器和DC/DC变换器。其中，状态空间平均法主要是指变换器在运行过程中以不同拓扑状态空间方程为基础进行不同层次处理，由此得到信号较小特性的数学模型，并在此基础上进行短路模型的有效构建。该短路模型在使用过程中具有较大的应用价值。此外，移相全桥变换器主要是通过BUCK的不断优化而得，同时根据等效电路能够得到BUCK变换器控制输出开环传递函数：

其中，移相全桥ZVS变换器在运行过程中与BUCK变换器相比具有不同程度的差异性，最大的差异性是占空比不同。一般情况下，移相全桥变换器占空比主要为有效占空比Deff，移相全桥变换器主变压器原副边匝比1:n，有效占空比为：

其中，Lr代表谐振电感。可见，有效占空比Deff输入电压Vm、原边占空比D以及负载电流的函数。由等效短路能够得出移相全桥变换器控制-输出传递函数：

其中，Rd=4n2Lrf，Rd为电流与电压损失两者的比值。此比值与负载电流相乘，再与原边电压相除得到占空比丢失。可以看出，占空比在一些情况下会受到负载电流的影响，在较大程度程度上无法有效提升低频增益。此外，主电路参数设计在其中扮演着较为重要的角色，在对其实施设计期间，需根据实际情况有效控制占空比，主要是确保占空比保持较高的稳定性。

6 数字控制系统软件流程

系统软件主要包含中断程序与主程序两个部分，其中主程序主要是对系统实施有效的初始化，有效检测开关机，并进行初始化程序，再进入到主程序循环等待中断。此外，硬件初始化包含禁止中断、偏置电路、设置CPU级中断屏蔽寄存器以及清零所有CPU级中断标志寄存器等。

若CPU在进行中断请示的过程中对具体引起的中断请求有较大的不确定性，为了提升CPU对外设事件的区分能力，需要在不同外设中断请求时产生中断向量。此向量与外设中断向量寄存器有较大关系，且在该寄存器中装载。中断程序主要有NMI中断子程序、TI煮沸后期中断子程序等，其中在电压中读取其采样值，数字滤波，实施控制算法，以此启动电流AD转换工作，实现周期中断中的稳压控制。

7 结 论

数字化控制技术与模拟控制技术相比具有优势，在高频开关电源设计与应用过程中凸显出重要地位。但是，开关电源在工作中提升其频率，会增加数字控制器的技术压力和成本投入。所以，需要有效优化与改进高频开关电源数字控制器中的不同技术环节，提高高频开关电源数字控制器质量。