ICforDCDC翻译

AProgrammableControllerICforDC/DCConverterandPowerFactorCorrectionApplications一种针对直流/直流转换器和功率因数校正应用的可编程控制器集成电路摘要这篇论文提出了一种针对通用电力电子应用技术的低成本可编程控制器的集成电路（IC）。这种可编程控制器的集成电路架构包含了10位的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），被设置作为脉宽调制功能的可编程计数器阵列（PCA），用于调节的控制单元（处理器）。这个处理器单元被设置为数字补偿器，该补偿器在转换器系统的电压控制回路中通过较少的程序控制步骤来完成精确的补偿。通过在控制定律增加一个足够低的积分增益来限制极限环振荡。混合控制方法首次运用于控制输入电压和电流波形图来实现一个单位功率因数校正。它是观察到的可编程转换器实现高效率的功率转换。数字控制升压转换器的转换效率为91%，具有0.8%的纹波电压性能。而在功率因数校正（PFC）电路的应用，功率因数和转换器的输出纹波电压分别为0.995和0.93%。该芯片在台积电（TSMC）0.25微米CMOS工艺实现。关键词升压转换器，直流转换器，数字控制，数字PID补偿器，可编程控制器集成电路。1.介绍目前技术和电子设备的大部分需要一个开关变换器的功能，特别是DC/DC和AC/DC转换器。对于系统提供一个合适的功能消耗而言，开关转换器找到一个固定的，可调节的电压源的应用程序是重要的。这样的系统包括通信，计算机（即通用目的和特殊用途），移动技术，汽车工业，和一些高频开关转换器的应用。开关转换器的主要目标是电压调节能力，在输入电压和或者负载电流变化电路中的稳定输出电压。反馈控制技术用来实现这一目标。大多数的直流/直流和交流/直流转换器的电压调节是采用模拟电路主要完成。原因之一是，模拟组件可以更简单、高带宽、低成本效益。但是，大多数的模拟电路易受到环境噪声的影响。另外，数字集成电路的快速增殖需要低电源电压，可编程性，对环境变化的敏感性较小，和少部分计数，因此性能和灵活性可以增强，这也给出模拟控制一个重大的挑战——无法实现这些需求。利用数字控制器集成电路提供了比模拟集成电路更多的优势。数字控制电源转化器设计研究在电力电子领域中起着非常重要的作用。在电源领域中，开关转换器为了实现数字控制的概念遇到了新的挑战。Manyrelatedstudieshavebeenconductedtoinvestigatethebehavioroftheconverterwhensubjectedunderdigitalcontrol.（在数字控制下，许多相近的研究已被开展用来调查转换器的行为。）在文献中，数字ASIC（特殊用途的集成电路）设计是基于硬件描述语言（HDL），用来作为一个数字控制器的标准。文献中，基于VHDL数字控制器的现场可编程门阵列（FPGA）被实现了。另外，在文献中，也能实现控制器的数字信号处理器（DSP），此处数字脉冲宽度调制产生了占空比值的离散值。近年来，越来越多的研究开始聚焦于数字控制的功率因数校正（PFC）系统设计。这篇论文，介绍了一种低成本数字可编程控制器集成电路，针对于DC/DC和AC/DC转换器具体应用，利用10位的模数转换器（ADC）分辨率，提出了一种实现数字补偿新的方法。另外，大多数已发表的数字控制电路应用于降压/升压转换器的设计。这些数字控制电路的一部分用于功率因数校正（PFC）设计。一种交叉的PFC控制方法把模拟电流控制回路与数字电压控制回路组合在一起，这种混合首次运用于AC/DC转换器。随着技术的反正，数字信号控制器对于PFC控制越来越有帮助。但是，数字控制在电流模式控制系统中面临着一个挑战。因为电流回路的动力是很快的，电流回路中一个纯碎的数字实现需要一个速度非常高的模数（A/D）转换器或者一个具有足够补偿能力能够建立电感电流的数字处理器。因此，这种方法用于优化性能和作为一种PFC控制将模拟与数字技术结合起来。这篇论文中，一种混合的平均电流模式控制（ACMC）方案，与一个经济的控制器结合起来，是基于快速模拟核心的最优跟踪和调节。脉冲宽度调制（PWM）在开关频率时运行，可以用来去除那些不需要的可能影响设备的频率成分，并且它的速度足够快的能够满足离散输出电压。因此，这个控制器电路的可编程性和灵活性使该电路在电力电子应用中更受欢迎。下一部分章节中，将讨论数字可编程控制器集成电路的结构和实现。第三部分，讨论应用于升压转换器中数字补偿器的设计和仿真结果。第四部分呈现实验结果。最后，第五部分给出结论。II控制器结构图1说明了本文提出的数字可编程控制器芯片的基本结构。它由10位模数转换器（ADC）块，计算单元（数字补偿器），和内部PWM。该控制器的时钟速率为12兆赫。ADC的最大采样频率可达500kHz。它也可以支持负载电流高达400毫安的25伏的输出电压。在这种体系结构中，快速实现的离散时间控制法是必要的，以实现动态特性相媲美模拟控制器。此外，数字补偿器的快速计算能力，这需要数字PID的形式，也需要。图1采用电压模式控制方法。输出电压的一部分，由一个模数转换器采样，并比较了一个数字的参考值，产生一个误差信号e[n]。在这一点上，误差信号的值与2个限值（即正、负两个值）进行比较，以防止转换系统到达信号溢出。此外，该转换器的误差信号在编程过程中被表示为符号整数（即32位）的数据类型【19】。误差信号将假定最大误差值，当它大于所需的最大值时，表示为16(2)/2。另一方面，它将假定最小误差值，当它是小于最低水平【18】，表示为16(2)/2。误差信号，然后通过数字补偿器产生一个新的值[]dn。在正常运行时，数字PID的比例项取电流误差值，并乘以其增益常数，pK。数字PID输出被馈送到可编程计数器阵列（主成分分析），它被配置为脉宽调制发生器产生所需的占空比信号来控制开关功率晶体管。这种操作方法迭代直到输出电压的参考电压。A.SAR-A/DConverter（SAR-模数转换器）在DC-DC开关转换器的情况下，该模数转换器的主要功能是将信号调节（反馈）量化为一个数字。该数字控制芯片的ADC模块采用逐次逼近ADC型架构，它使用二进制搜索操作为核心算法。图2显示了典型的连续逼近寄存器（SAR）结构框图【20】。本图由四个主要子电路；采样保持电路，获得输入电压，模拟比较器，它比较输入电压和DAC的输出信号，一个逐次逼近寄存器以及内部控制逻辑，用于执行二进制搜索算法和一个内部DAC，该DAC的比较器用一个等效于SAR数字输出编码的模拟电压【20】。这是一个10位R-2RDAC数字模拟转换器[20]。ADC的时钟源配置为生成SfHz作为操作的采样频率。从这个采样值的片上ADC的转换时间是固定值为1/Sf秒。作为输入信号，ADC模块采用一个由两个串联电阻组成的反馈网络的输出电压。ADC的理想传输函数如图4所示。文献[7]中，明确指出（1），与一个给定的OV，ADC的最低要求是10位的，这正是该控制器的特色分辨率。作为一个结果，一个电压电平设置为ADC的最大电压要求，用一个10位的分辨率或1024个离散的水平，ADC可以生成一个3.3/1024或3.2毫伏基础分辨率。然而，对于这个片内ADC模块原型而言，以最低电压要求为输入电压的一半，然后与一个数值参考电压比较，以产生一个误差信号。对于给定的参考电压，它对应于1.65伏，电压分压器网络产生一个输出电压分辨率为48/1024或46.8mV[21]，这对于24V输出电压而言，该分辨率在电压水平间处于0.2%。B.DigitalPID（数字PID）反馈信号与数值参考电压的差作为控制信号用来驱动转换器的占空比。占空比使用一个离散的比例-积分-微分（积分）控制器，然后计算。图3说明了数字补偿器的典型PID结构。PID控制器的连续时间传递函数如[22],[23]:在（2）中传递函数用双线性或向后变换方法的数字实现来转化为一个差分方程。在获取差异后，它现在是适合计算机计算的。差分方程可以采取如下形式[23]：在这里，PK,IK,DK分别为数字比例增益，数字积分增益，数字微分增益。变量dk计算输出电压第k个样本占空比。变量T是采样周期，ek是测量输出电压（过程值）和期望输出值（设定值）之间的误差信号。此外，适当选择PID控制器每个术语的增益常数，能够防止输出电压振荡，并保证系统的最优控制（系统稳定）。进一步说，对于这个原型选择了1.65,1/16,1/32refPIVVKK和1/64DK。最后，在稳定状态条件下，输出电压极限环的问题通过增加一个积分增益IK来降低这个影响。为了减少极限环的影响，有必要增加一个足够低的积分增益和一个足够高的DPWM分辨率[3]。C．利用可编程计数器阵列的PWMPCA模块提供了更多比标准的定时器/计数器用的较少CPU干预的定时功能。它的优点包括减少软件开销和提高精度。与功率转换器有关的大多数系统利用脉冲宽度调制技术来调节输出电压。作为数字控制的功率变换器，数字脉冲宽度调制技术是实现电压调节最广泛的方法之一。由于处理量化效应的复杂性以及可编程控制器的频率限制，从不采用DPWM的方法来生产占空比和实现目标IC控制器。相反，它利用控制器的模拟模块，它是可编程计数器阵列（PCA）配置为脉宽调制发生器。图4显示了利用控制器的模1（n=1）PCA的内部结构。通过设定ECOM1和PWM1为逻辑1位，把PCA模块设置成PWM模式来运行。ECOM1和PWM1寄存器位于CCAPM1特殊功能寄存器（SFR）。图4显示了PCA定时器/计数器CL低字节与低字节CCAP1L的比较。每次归零时，高字节可自动加载CCAP1L。当CL增加到其值，则归零。另一方面，CCAP1H寄存器，作为一个标志固定PWM信号的比率开（如3.3V）关（0V）。由于PWM是8位，PWM时钟周期为256PCA时钟循环。此外，8位脉宽调制控制的输出电压为一个0.390%的分辨率，或写为：在一个PWM周期，CL从零增加到CCAP1L的值，这是从CCAP1H自动加载。这个阶段，当1CLCCAPL时，PWM输出为逻辑0（0V）。当1CLCCAPL时，它虽然瞬间变为零，但它却立即从CCAP1H加载内容。当1CLCCAPL时，CL继续增加，最终使PWM输出逻辑为1（3.3V）。此操作的效果如图5所示。III．设计实例及仿真结果A.直流/直流升压转换器为了演示闭环操作，采用了如图8所示的数字可编程控制器IC与升压转换器。利用状态空间平均模型，能够测量出从转换器的输出到开关的占空比（D）的小信号传递函数，该函数能够通过（5）【24】推导。C与L分别表示电容器和电感器的电阻。对于每个工作负载条件允许的输入电压范围为8V-20V之间。可以用MATLAB中的双线性函数得到（5）中的Z传递函数。转换器的Z传递函数如图6所示。该操作的开关频率等于50和500千赫之间的软件可选择的值。它是由可编程控制器内部产生的，它有一个基于时钟频率为12兆赫的晶体振荡器。此外，该原型的电感和电容分别是1mH和100uF。选择1mH电感需大于最小要求值以保证电流连续模式操作。电容和电感的电阻分别为0.4和0.038。根据图6中的小信号模型和传递函数的闭环行为已通过MATLAB/Simulink工具检查。，在整个开关频率范围内，该系统是稳定的。对于所提出可编程控制器的仿真，图7展示了利用MATLAB/SIMULINK工具实现转换器的框图模型。该图为升压转换器的电压模式控制方法。图8和图9展示了相对于时间变化的电感电流和输出电压的仿真结果。它表明所提出的控制器集成电路实现了所需的输出电压为20V的最小纹波.B.PFC变换器的混合控制ACMC方法应用于PFC电路的设计。它控制的平均输入电流跟随正弦输入电压的包络线。图10所示的PFC电路有电流和电压控制回路。它结合了抗噪声和电压模式控制效率（VMC）的稳定性和电流模式控制（CMC）的性能特点。虚线显示控制器集成电路中包含的电路。ACMC