ICforDCDC翻譯

1、A Programmable Controller IC for DC/DC Converter and Power Factor Correction Applications一種針對直流/直流轉(zhuǎn)換器和功率因數(shù)校正應(yīng)用的可編程控制器集成電路摘要這篇論文提出了一種針對通用電力電子應(yīng)用技術(shù)的低成本可編程控制器的集成電路（IC）。這種可編程控制器的集成電路架構(gòu)包含了10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），被設(shè)置作為脈寬調(diào)制功能的可編程計數(shù)器陣列（PCA），用于調(diào)節(jié)的控制單元（處理器）。這個處理器單元被設(shè)置為數(shù)字補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器在轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電壓控制回路中通過較少的程序控制步驟來完成精確

2、的補(bǔ)償。通過在控制定律增加一個足夠低的積分增益來限制極限環(huán)振蕩?；旌峡刂品椒ㄊ状芜\用于控制輸入電壓和電流波形圖來實現(xiàn)一個單位功率因數(shù)校正。它是觀察到的可編程轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效率的功率轉(zhuǎn)換。數(shù)字控制升壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率為91%，具有0.8%的紋波電壓性能。而在功率因數(shù)校正（PFC）電路的應(yīng)用，功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓分別為0.995和0.93%。該芯片在臺積電（TSMC） 0.25微米CMOS工藝實現(xiàn)。關(guān)鍵詞升壓轉(zhuǎn)換器，直流轉(zhuǎn)換器，數(shù)字控制，數(shù)字PID補(bǔ)償器，可編程控制器集成電路。1. 介紹目前技術(shù)和電子設(shè)備的大部分需要一個開關(guān)變換器的功能，特別是DC / DC和AC / DC轉(zhuǎn)換器。對于系統(tǒng)

3、提供一個合適的功能消耗而言，開關(guān)轉(zhuǎn)換器找到一個固定的，可調(diào)節(jié)的電壓源的應(yīng)用程序是重要的。這樣的系統(tǒng)包括通信，計算機(jī)（即通用目的和特殊用途），移動技術(shù)，汽車工業(yè)，和一些高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。開關(guān)轉(zhuǎn)換器的主要目標(biāo)是電壓調(diào)節(jié)能力，在輸入電壓和或者負(fù)載電流變化電路中的穩(wěn)定輸出電壓。反饋控制技術(shù)用來實現(xiàn)這一目標(biāo)。大多數(shù)的直流/直流和交流/直流轉(zhuǎn)換器的電壓調(diào)節(jié)是采用模擬電路主要完成。原因之一是，模擬組件可以更簡單、高帶寬、低成本效益。但是，大多數(shù)的模擬電路易受到環(huán)境噪聲的影響。另外，數(shù)字集成電路的快速增殖需要低電源電壓，可編程性，對環(huán)境變化的敏感性較小，和少部分計數(shù)，因此性能和靈活性可以增強(qiáng)，這也給出模擬

4、控制一個重大的挑戰(zhàn)無法實現(xiàn)這些需求。利用數(shù)字控制器集成電路提供了比模擬集成電路更多的優(yōu)勢。數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)化器設(shè)計研究在電力電子領(lǐng)域中起著非常重要的作用。在電源領(lǐng)域中，開關(guān)轉(zhuǎn)換器為了實現(xiàn)數(shù)字控制的概念遇到了新的挑戰(zhàn)。Many related studies have been conducted to investigate the behavior of the converter when subjected under digital control.（在數(shù)字控制下，許多相近的研究已被開展用來調(diào)查轉(zhuǎn)換器的行為。）在文獻(xiàn)中，數(shù)字ASIC（特殊用途的集成電路）設(shè)計是基于硬件描述語言（HDL），

5、用來作為一個數(shù)字控制器的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)中，基于VHDL數(shù)字控制器的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）被實現(xiàn)了。另外，在文獻(xiàn)中，也能實現(xiàn)控制器的數(shù)字信號處理器（DSP），此處數(shù)字脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生了占空比值的離散值。近年來，越來越多的研究開始聚焦于數(shù)字控制的功率因數(shù)校正（PFC）系統(tǒng)設(shè)計。這篇論文，介紹了一種低成本數(shù)字可編程控制器集成電路，針對于DC/DC和AC/DC轉(zhuǎn)換器具體應(yīng)用，利用10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）分辨率，提出了一種實現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償新的方法。另外，大多數(shù)已發(fā)表的數(shù)字控制電路應(yīng)用于降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。這些數(shù)字控制電路的一部分用于功率因數(shù)校正（PFC）設(shè)計。一種交叉的PFC控制方法把模擬電流控制

6、回路與數(shù)字電壓控制回路組合在一起，這種混合首次運用于AC/DC轉(zhuǎn)換器。隨著技術(shù)的反正，數(shù)字信號控制器對于PFC控制越來越有幫助。但是，數(shù)字控制在電流模式控制系統(tǒng)中面臨著一個挑戰(zhàn)。因為電流回路的動力是很快的，電流回路中一個純碎的數(shù)字實現(xiàn)需要一個速度非常高的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器或者一個具有足夠補(bǔ)償能力能夠建立電感電流的數(shù)字處理器。因此，這種方法用于優(yōu)化性能和作為一種PFC控制將模擬與數(shù)字技術(shù)結(jié)合起來。這篇論文中，一種混合的平均電流模式控制（ACMC）方案，與一個經(jīng)濟(jì)的控制器結(jié)合起來，是基于快速模擬核心的最優(yōu)跟蹤和調(diào)節(jié)。脈沖寬度調(diào)制（PWM）在開關(guān)頻率時運行，可以用來去除那些不需要的可能影響設(shè)備的頻

7、率成分，并且它的速度足夠快的能夠滿足離散輸出電壓。因此，這個控制器電路的可編程性和靈活性使該電路在電力電子應(yīng)用中更受歡迎。下一部分章節(jié)中，將討論數(shù)字可編程控制器集成電路的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)。第三部分，討論應(yīng)用于升壓轉(zhuǎn)換器中數(shù)字補(bǔ)償器的設(shè)計和仿真結(jié)果。第四部分呈現(xiàn)實驗結(jié)果。最后，第五部分給出結(jié)論。II 控制器結(jié)構(gòu)圖1說明了本文提出的數(shù)字可編程控制器芯片的基本結(jié)構(gòu)。它由10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）塊，計算單元（數(shù)字補(bǔ)償器），和內(nèi)部PWM。該控制器的時鐘速率為12兆赫。ADC的最大采樣頻率可達(dá)500 kHz。它也可以支持負(fù)載電流高達(dá)400毫安的25伏的輸出電壓。在這種體系結(jié)構(gòu)中，快速實現(xiàn)的離散時間控制法是必要

8、的，以實現(xiàn)動態(tài)特性相媲美模擬控制器。此外，數(shù)字補(bǔ)償器的快速計算能力，這需要數(shù)字PID的形式，也需要。圖1采用電壓模式控制方法。輸出電壓的一部分，由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，并比較了一個數(shù)字的參考值，產(chǎn)生一個誤差信號en。在這一點上，誤差信號的值與2個限值（即正、負(fù)兩個值）進(jìn)行比較，以防止轉(zhuǎn)換系統(tǒng)到達(dá)信號溢出。此外，該轉(zhuǎn)換器的誤差信號在編程過程中被表示為符號整數(shù)（即32位）的數(shù)據(jù)類型【19】。誤差信號將假定最大誤差值，當(dāng)它大于所需的最大值時，表示為。另一方面，它將假定最小誤差值，當(dāng)它是小于最低水平【18】，表示為。誤差信號，然后通過數(shù)字補(bǔ)償器產(chǎn)生一個新的值。在正常運行時，數(shù)字PID的比例項取電流誤差值

9、，并乘以其增益常數(shù)，。數(shù)字PID輸出被饋送到可編程計數(shù)器陣列（主成分分析），它被配置為脈寬調(diào)制發(fā)生器產(chǎn)生所需的占空比信號來控制開關(guān)功率晶體管。這種操作方法迭代直到輸出電壓的參考電壓。A. SAR-A/D Converter （SAR-模數(shù)轉(zhuǎn)換器）在DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的情況下，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要功能是將信號調(diào)節(jié)（反饋）量化為一個數(shù)字。該數(shù)字控制芯片的ADC模塊采用逐次逼近ADC型架構(gòu)，它使用二進(jìn)制搜索操作為核心算法。圖2顯示了典型的連續(xù)逼近寄存器（SAR）結(jié)構(gòu)框圖【20】。本圖由四個主要子電路；采樣保持電路，獲得輸入電壓，模擬比較器，它比較輸入電壓和DAC的輸出信號，一個逐次逼近寄存器以及內(nèi)部

10、控制邏輯，用于執(zhí)行二進(jìn)制搜索算法和一個內(nèi)部DAC，該DAC的比較器用一個等效于SAR數(shù)字輸出編碼的模擬電壓【20】。這是一個10位R-2R DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 20 。ADC的時鐘源配置為生成Hz作為操作的采樣頻率。從這個采樣值的片上ADC的轉(zhuǎn)換時間是固定值為秒。作為輸入信號，ADC模塊采用一個由兩個串聯(lián)電阻組成的反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓。ADC的理想傳輸函數(shù)如圖4所示。文獻(xiàn) 7 中，明確指出（1），與一個給定的，ADC的最低要求是10位的，這正是該控制器的特色分辨率。作為一個結(jié)果，一個電壓電平設(shè)置為ADC的最大電壓要求，用一個10位的分辨率或1024個離散的水平，ADC可以生成一個3.3/102

11、4或3.2毫伏基礎(chǔ)分辨率。然而，對于這個片內(nèi)ADC模塊原型而言，以最低電壓要求為輸入電壓的一半，然后與一個數(shù)值參考電壓比較，以產(chǎn)生一個誤差信號。對于給定的參考電壓，它對應(yīng)于1.65伏，電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個輸出電壓分辨率為48 / 1024或46.8 21 ，這對于24輸出電壓而言，該分辨率在電壓水平間處于0.2%。B. Digital PID（數(shù)字PID）反饋信號與數(shù)值參考電壓的差作為控制信號用來驅(qū)動轉(zhuǎn)換器的占空比。占空比使用一個離散的比例-積分-微分（積分）控制器，然后計算。圖3說明了數(shù)字補(bǔ)償器的典型PID結(jié)構(gòu)。PID控制器的連續(xù)時間傳遞函數(shù)如22,23: 在（2）中傳遞函數(shù)用雙線性或向后

12、變換方法的數(shù)字實現(xiàn)來轉(zhuǎn)化為一個差分方程。在獲取差異后，它現(xiàn)在是適合計算機(jī)計算的。差分方程可以采取如下形式23：在這里，,分別為數(shù)字比例增益，數(shù)字積分增益，數(shù)字微分增益。變量計算輸出電壓第k個樣本占空比。變量是采樣周期，是測量輸出電壓（過程值）和期望輸出值（設(shè)定值）之間的誤差信號。此外，適當(dāng)選擇PID控制器每個術(shù)語的增益常數(shù)，能夠防止輸出電壓振蕩，并保證系統(tǒng)的最優(yōu)控制（系統(tǒng)穩(wěn)定）。進(jìn)一步說，對于這個原型選擇了和。最后，在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，輸出電壓極限環(huán)的問題通過增加一個積分增益來降低這個影響。為了減少極限環(huán)的影響，有必要增加一個足夠低的積分增益和一個足夠高的DPWM分辨率 3 。C利用可編程計數(shù)器

13、陣列的PWMPCA模塊提供了更多比標(biāo)準(zhǔn)的定時器/計數(shù)器用的較少CPU干預(yù)的定時功能。它的優(yōu)點包括減少軟件開銷和提高精度。與功率轉(zhuǎn)換器有關(guān)的大多數(shù)系統(tǒng)利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來調(diào)節(jié)輸出電壓。作為數(shù)字控制的功率變換器，數(shù)字脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)最廣泛的方法之一。由于處理量化效應(yīng)的復(fù)雜性以及可編程控制器的頻率限制，從不采用DPWM的方法來生產(chǎn)占空比和實現(xiàn)目標(biāo)IC控制器。相反，它利用控制器的模擬模塊，它是可編程計數(shù)器陣列（PCA）配置為脈寬調(diào)制發(fā)生器。圖4顯示了利用控制器的模1（n=1）PCA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過設(shè)定ECOM1和PWM1為邏輯1位，把PCA模塊設(shè)置成PWM模式來運行。ECOM1和PWM

14、1寄存器位于CCAPM1特殊功能寄存器（SFR）。圖4顯示了PCA定時器/計數(shù)器CL低字節(jié)與低字節(jié)CCAP1L的比較。每次歸零時，高字節(jié)可自動加載CCAP1L。當(dāng)CL增加到其值，則歸零。另一方面，CCAP1H寄存器，作為一個標(biāo)志固定PWM信號的比率開（如3.3V）關(guān)（0V）。由于PWM是8位，PWM時鐘周期為256 PCA時鐘循環(huán)。此外，8位脈寬調(diào)制控制的輸出電壓為一個0.390%的分辨率，或?qū)憺椋涸谝粋€PWM周期，CL從零增加到CCAP1L的值，這是從CCAP1H自動加載。這個階段，當(dāng)時，PWM輸出為邏輯0（0 V）。當(dāng)時，它雖然瞬間變?yōu)榱?，但它卻立即從CCAP1H加載內(nèi)容。當(dāng)時，CL繼續(xù)增

15、加，最終使PWM輸出邏輯為1（3.3 V）。此操作的效果如圖5所示。III設(shè)計實例及仿真結(jié)果A. 直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器為了演示閉環(huán)操作，采用了如圖8所示的數(shù)字可編程控制器IC與升壓轉(zhuǎn)換器。利用狀態(tài)空間平均模型，能夠測量出從轉(zhuǎn)換器的輸出到開關(guān)的占空比（D）的小信號傳遞函數(shù)，該函數(shù)能夠通過（5）【24】推導(dǎo)。與分別表示電容器和電感器的電阻。對于每個工作負(fù)載條件允許的輸入電壓范圍為8 V-20 V之間?？梢杂肕ATLAB中的雙線性函數(shù)得到（5）中的Z傳遞函數(shù)。轉(zhuǎn)換器的Z傳遞函數(shù)如圖6所示。該操作的開關(guān)頻率等于50和500千赫之間的軟件可選擇的值。它是由可編程控制器內(nèi)部產(chǎn)生的，它有一個基于時鐘頻率為1

16、2兆赫的晶體振蕩器。此外，該原型的電感和電容分別是1和100。選擇1mH電感需大于最小要求值以保證電流連續(xù)模式操作。電容和電感的電阻分別為0.4和0.038。根據(jù)圖6中的小信號模型和傳遞函數(shù)的閉環(huán)行為已通過MATLAB/Simulink工具檢查。，在整個開關(guān)頻率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。對于所提出可編程控制器的仿真，圖7展示了利用MATLAB / SIMULINK工具實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的框圖模型。該圖為升壓轉(zhuǎn)換器的電壓模式控制方法。圖8和圖9展示了相對于時間變化的電感電流和輸出電壓的仿真結(jié)果。它表明所提出的控制器集成電路實現(xiàn)了所需的輸出電壓為20V的最小紋波.B. PFC變換器的混合控制ACMC方法應(yīng)用

17、于PFC電路的設(shè)計。它控制的平均輸入電流跟隨正弦輸入電壓的包絡(luò)線。圖10所示的PFC電路有電流和電壓控制回路。它結(jié)合了抗噪聲和電壓模式控制效率（VMC）的穩(wěn)定性和電流模式控制（CMC）的性能特點。虛線顯示控制器集成電路中包含的電路。ACMC的方法可用于檢測和控制一個具有高精度的25的輸入和輸出電流，如圖10所示的ACMC包括內(nèi)環(huán)模擬補(bǔ)償，即補(bǔ)償電流的平均電感電流回路。外環(huán)的輸出，這是電壓回路，將設(shè)置所需的電流水平，或電流 25 。電流誤差，或平均電流與電流基準(zhǔn)的區(qū)別，通過電流放大器進(jìn)行放大和比較。平均電流模式控制是基于一個簡單的概念。放大器是用于升壓功率級中的反饋回路，使輸入電流跟蹤一個帶有非

18、常小錯誤的可編信號 26 。電流放大器的輸出與脈沖寬度調(diào)制器連接，以控制升壓轉(zhuǎn)換器的功率開關(guān)。一個升壓PFC電路的功率電路與直流升壓轉(zhuǎn)換器相同。在電感器前面有一個二極管橋整流交流輸入電壓但通常與交流直流轉(zhuǎn)換功能相關(guān)的大輸入電容已被轉(zhuǎn)移到升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端。如果一個電容器是用于輸入二極管橋后，它是一個小電容，只用于噪聲控制。(此處往下為百度翻譯)升壓穩(wěn)壓器的輸出是一個恒定的電壓，但輸入電流由輸入電壓編程為一個半正弦波。輸出電容器的功率不是恒定的，而是一個處于兩倍線頻率時的正弦波，因為功率是電壓和電流的瞬時產(chǎn)物。如圖11所示，它示出了電感電流的行為波形，并在與輸入電壓波形同相。圖12顯示了電感電流

19、波形及其最大化視圖。這是簡單地顯示電感器的平均電流。有了這些波形，它可以驗證一個更高的功率因數(shù)和較少的輸入電流諧波。IV實驗結(jié)果可編程控制器芯片的照片如圖13所示。這種可編程控制器包含SAR ADCs、模擬比較器，標(biāo)準(zhǔn)的核心（數(shù)字PID）、存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，和PCA / PWM。該芯片是在臺積電0.25微米CMOS工藝中實現(xiàn)。包括輸入/輸出接口，芯片面積為3毫米乘以3毫米。圖14顯示的10位ADC精度的測量結(jié)果。在寬輸入電壓范圍，ADC的誤差都在1/2最低位。這證明了ADC真的有一個10位分辨率。該控制器IC的功耗為33 mW（工作電流為10和工作電壓3.3V）。電流在待機(jī)模式下是90。該控

20、制器IC的工作電流高于全模擬控制電路的工作電流，通常低于。在操作的早期階段的輸出電壓為零，反饋誤差跳到其最大值。這種大的反饋，然后驅(qū)動環(huán)路濾波器使其達(dá)到限制，驅(qū)動轉(zhuǎn)換器中程序段的功率晶體管使其達(dá)到最大額定值，并帶來意想不到的行為輸出。這種情況繼續(xù)執(zhí)行，直到升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓接近其標(biāo)稱值。為解決上述問題，系統(tǒng)需要一個軟啟動功能。在這個原型中，軟啟動技術(shù)是通過軟件實現(xiàn)的。輸入驅(qū)動電壓是一系列通過簡單的循環(huán)技術(shù)操作產(chǎn)生的占空比增加的脈寬調(diào)制信號。有了軟啟動控制，比較占空比的初始參考值與PWM信號期望值以產(chǎn)生一系列的脈沖寬度值。一旦達(dá)到所需的脈寬值，軟啟動功能將從循環(huán)自動終止且反饋操作恢復(fù)。圖15顯

21、示開始狀態(tài)時和所測得的輸出電壓。測量和分析了輸入電壓變化對輸出電壓的影響。圖16和圖17顯示了轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)對1W線擾動的波形。這些圖像也顯示了在輸入電壓范圍為脈寬調(diào)制信號和電感電流波形。此外，輸出電壓保持在期望值。在不同負(fù)載條件下的五個不同輸入電壓下，測量了這個原型的效率結(jié)果。圖18顯示了輸出電壓、脈寬調(diào)制信號，以及開關(guān)頻率下的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電感電流波形。圖19顯示了所提出的控制器IC控制的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的原型效果圖。如圖所見，當(dāng)輸入電壓最大值時，其效率值較高。這是因為，隨著升壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓的增加，開關(guān)元件的較小功率消失了，假設(shè)無源元件是理想的，在實際的轉(zhuǎn)換器應(yīng)用是不可能的。此外，對于不同的負(fù)載電流狀態(tài)下，效率已顯示出在三個負(fù)載下不同分布的結(jié)果。A. PFC測量圖20和2