全数字化控制开关电源的开发

开发的背景

近年来， 随着DSP等电子零件的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能。开关电源市场中，从质量、交货期等方面，标准电源正在成长壮大。然而，电源的使用方法因系统不同而有所不同，所以现有状况是：对特制电源的需求很强烈。数字化控制开关电源集标准电源和特制电源的优点于一身。

迄今，笔者们以周围机能、输出电压控制等，信号部分的全部数字化“全数字化”为目标进行开发。全数字化控制在有几个数字化的结构中最具扩张性、灵活性，能在高水平上实现上述优点。

这篇论文首先比较研究普遍被接受的控制器的构成，提出全数字化领域的技术性课题，并且，针对DSP的全数字化控制电源试验机，以试验数据为基础进行考察。

关于控制部分的数字化

2.1模拟和数字化

在数字化来临之前，世界处于模拟时代。当时多数市场都是业界标准、单功能，处于基本性能、质量（以电视为例，是好的画面质量和使用寿命等）的竞争时代。并且，由于在制品完成时才确定商品价值，所以顾客不会提高价格，这就是“自我(生产厂家)完结型”。这之后，随着数字化的到来，竞争的领域发生了改变。基本性能、质量是商品价值的源流，所以这个竞争还会继续，但是，由标准向特制，由单功能向多功能发生了转变，这时的商品价值就会让顾客提高价格，转变为了“顾客完结型”。拥有这个数字化的特征的典型的例子就是个人电脑。

开关电源的本质是电力转换器，基本性能、质量的竞争以后仍将继续。但这不是唯一重要的。电源的使用方法是由顾客决定的，因系统不同而各不相同。因此，现有的状况就是：顾客有强烈的特制的要求。数字化所持有的“特制”、“多功能”、“顾客完结型”的特征正能解决这个问题。此外，还有依靠数字通信的数字化机器的融合，依靠数字化控制、信号处理的技术革新。因为应用了这些，就能期待性能、质量的提升以及超越素有的既成概念的用途范围的扩大。

2.2控制结构的比较

模拟控制方法适用于频率高、电力小、功能少的开关电源。然而，要完全满足顾客的要求是有难度的。因此，现在在电源系统设计过程中，在电源外部增加回路，或在一定程度上妥协于性能、质量，使其最大程度发挥作用。这种努力努力证明应用数字化技术，在电源内部应对，效率好。微型多用计算机和模拟控制的结构特征是：逻辑等的周边机能和模拟控制部分的定数调整实现软件化。然而，既然应用模拟IC，灵活性就是有限的。例如，如果要改换力部的拓扑（topology位相数学）就需要替换模拟IC，并且每次都有必要检查周边回路。与之相比，依靠DSP的全数字化控制结构中，PMW发电机能够生成任意的电流，就没有必要更换IC了。此外，全数字化容易使周围部件集成化、小型化，因此很有用。

应答的高速性也是一个弱点，如果是开关的频率为数百千赫的电源，与模拟相比，也能有毫不逊色的反应速度。更进一步说，控制方式应用了现代控制理论，因此会有超出模拟控制的特性。

目前，有反应、消费电量的问题，但考虑到近年来装置的迅速发展，全数字化控制方式定能成为最佳的方式。

2.3全数字化控制的技术性课题

控制部分的全数字化存在两大技术性问题。一是输出电压分解能的问题。其原因在于：数字PWM发电机应用了如图2所示的计算器，这种构成情况下，出现了依据计数器时钟Tclk的时间刻度。图3表示输出电压分解能特性。这幅图设计了3.3伏输出电压的电源式样，一台变频器。Tclk是25ns(40兆赫兹的时钟周期)。Vi是输出电压。根据此图，输出电压分解能与输入电压及开关频率数有很大关系，输入电压是48伏开关频率数为40万赫兹时，△vo(pls)为96毫伏。输出电压为3.3伏的电源，就有2.9℅的分解能，看出来这是很糟糕的。

另一个问题就是输出电压应对特性。历来的模拟控制的开关电源，一个开关周期中承载波与操作量u的比值决定冲击电流。因此，PWM的更新与开关周期Tswitching相连。与此相对，数字化控制的情况下，用A/D转换器得出输出电压，进行演算，更新操作量需要时间。这个时间为控制时间Tcontrol。如图4所示关于用承载波的流量值更新操作量u的系统。这种情况下，图4(a)所示控制时间比开关周期短，这并不存在问题，但是，图4(b)所示如果控制时间比开关周期长，因为电流幅度被更新的周期达到了开关周期的2倍以上，应对性能就会恶化。

考虑到这些问题，就有必要开发设计新制品。

智能控制的例子

由于全数字化，智能PWM控制就可能实现。利用这个，就有可能改善输出电压分解能的问题。为了清晰易懂地验证这个问题，我们让输出电压控制的基准电压Vref平缓地浮动，观察此时的输出电压对应波形。

图5表示分解能改善前的全数字控制的输出电压对应波形。改善前，约有100毫伏的震动，这是因为PWM发电机的分解能低于输出电压的A/D转换部分的分解能。图6表示分解能改善后全数字控制的输出电压对应波形。采用独自的控制手法PCP控制，32倍改善了PWM发电机的分解能，由于能够优于A/D转换部的分解能，所以并没有震动现象。

此外，应用近似的2自由度技术的Robust控制器，可能提升负荷急变特性。在力部与控制系统的周波数都相同的条件下，比较一下历来的控制与控制。图7表示历来的模拟控制DC-DC转换器下的负荷急变波形。以前，输出时一被连接陶瓷电容等的ESP小电容，就有振动的倾向。与之相比较，根据图8所示，Robust控制时，反应的高峰受到控制，即使输出连接了陶瓷电容，也没那么容易发生振动。通常，被连接到开关电源负荷的迂回电容容量值因系统不同而有所不同。由于应用了这个Robust控制技术，就不再依靠与负荷相连接的迂回电容的容量值了，能提供稳定的负荷急变特性。

全数字控制电源试制机的开发　

已经生产了图9所示的全数字控制绝缘DC-DC转换器的试制机。这个试制机是应用DSP制成的。基本方式是输入电压48伏、输出为3.3伏25安，有一本书的四分之一那么大，与以往的模拟控制DC-DC转换器相比，达到了足够广阔的范围。

此外，图10所示的装置是非同期串行通信(SCI)，可能与PC通信。这个装置由电源试制机和接口IC数件的周边零件及PC构成。

为了实现PC与电源试制机间的通信，开发了图11所示的软件。应用了这个软件，制品的模型名与串行号信息、电源试制机内部的电压、电流、温度的实时信息就能在PC上表示出来。此外，用软件上的TRM改变DC-DC转换器的输出电压指令值，电源试制机的输出电压就可变。今后，要考虑过电压保护、过电流保护、加热保护的值，以及增加输出电压的上升、下降等可变机能。

今后的展望

这次制作的试制机，因为DSP的功能还不充分，随着任务的增加控制特性就会恶化。引进最新的DSP，致力于输入全部指令的情况下的高度控制。此外，由于DSP的高速化正急剧发展，将会能够执行更多的任务。我们将再接再厉，研究开发更具价值的开关电源。

作者：竹上荣治，先行开发部项目领导，电盛兰达株式会社