使用 UCD3138 器件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模式控制

不久前，我被要求檢查使用 TI UCD3138控制器生成在轉(zhuǎn)換模式下運(yùn)行所需的閉環(huán)控制波形的可行性。這些數(shù)字控制器非常靈活，并配備了很多花里胡哨的功能。我很好奇我能想出什么。

過渡模式波形看起來不像典型的脈寬調(diào)制 (PWM) 波形，因?yàn)檎伎毡群烷_關(guān)周期都在變化。它們也不像UCD3138支持的 LLC 或相移波形。因此，PWM 輸出調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)模式都不會(huì)產(chǎn)生我們需要的東西。

過渡模式控制的獨(dú)特之處在于，您應(yīng)該根據(jù)前一個(gè)開關(guān)周期中發(fā)生的情況按時(shí)啟動(dòng)下一個(gè)開關(guān)周期——而不是早晚。下一個(gè)脈沖開啟的這種開啟時(shí)間切換提供了以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)之一：

· 谷切換。僅當(dāng)電流穿過零線時(shí)關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，并在經(jīng)過測(cè)量和固定延遲后開始下一個(gè)開關(guān)周期。那時(shí)的電壓應(yīng)該很低，避免大的開關(guān)損耗。

· 零電壓開關(guān) (ZVS)。在電流穿過零線后立即關(guān)閉 FET。電流會(huì)略為負(fù);這樣，經(jīng)過一定的控制時(shí)間延遲后，電壓將衰減為零。您可以再次打開 FET 并開始新的開關(guān)周期。但延遲時(shí)間是V in和V out的函數(shù)，因此需要定期調(diào)整。

從表面上看，這兩個(gè)想法似乎都可以通過像UCD3138這樣的數(shù)字控制器輕松實(shí)現(xiàn)。它有幾個(gè)具有可調(diào)參考電壓的模擬比較器，可以指示何時(shí)終止驅(qū)動(dòng) FET 的脈沖。

作為微控制器和基于固件的設(shè)備，固件可以調(diào)整對(duì)模擬比較器的參考，并根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對(duì)輸入和輸出電壓和電流的測(cè)量來調(diào)節(jié)延遲。

但是，當(dāng)模擬比較器切換時(shí)，我們?nèi)绾谓K止脈沖并開始新的周期呢?脈沖的終止類似于脈沖截?cái)嗟闹鹬芷?(CBC) 或峰值電流模式 (PCM) 電流限制。我們應(yīng)該使用UCD3138中已經(jīng)存在的 CBC 機(jī)制嗎?我們?nèi)绾谓Y(jié)束開關(guān)周期并開始一個(gè)新的脈沖?同步輸入信號(hào)可以做到這一點(diǎn)，但它也可以截?cái)嗝}沖嗎?畢竟，如果在數(shù)字 PWM 輸出為高電平時(shí)發(fā)生同步事件，則會(huì)導(dǎo)致脈沖擴(kuò)展;脈沖將保持高電平，直到下一個(gè)開關(guān)周期。我們應(yīng)該將模擬比較器連接到 CBC 和同步信號(hào)嗎?

這里有一個(gè)技巧可以消除對(duì) CBC 的需求：在切換周期開始時(shí)將 Event4 (EV4) 配置為零或非常小的數(shù)字。這樣，同步信號(hào)終止開關(guān)周期并復(fù)位數(shù)字 PWM 計(jì)數(shù)器。EV4 在此復(fù)位后立即接合;因此脈沖也被截?cái)?。這就像一塊石頭打死兩只鳥。

現(xiàn)在我們需要一個(gè)延遲，讓負(fù)電流衰減和電壓變?yōu)榱?，然后在這個(gè)時(shí)候準(zhǔn)確地打開初級(jí) FET，以實(shí)現(xiàn) ZVS。該周期結(jié)束與開啟 FET 的時(shí)間之間的時(shí)間間隔可以通過計(jì)算 Event1 (EV1) 的位置來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)計(jì)算，周期結(jié)束/新脈沖開始 (Tr) 與負(fù)電流檢測(cè)閾值 (IN) 之間的延遲時(shí)間可通過以下公式計(jì)算：

當(dāng) Vin ≤ Vo/2 時(shí)，不需要負(fù)電流。

其中 IN = 0 和 ω = 245 nS。

當(dāng) Vin > Vo/2 時(shí)，需要負(fù)電流 IN 以使 Vds 的值在谷點(diǎn)處達(dá)到零伏。

我使用電子表格生成了一個(gè)查找表，我稍后將其作為固件的一部分輸入，以相應(yīng)地調(diào)整 Tr 和 IN 的值。

上述查找表是使用UCD3138實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模式控制的一種簡化方式。如果您使用外部比較器進(jìn)行電流交叉檢測(cè)，則一切就緒。但是 UCD3138 恰好有幾個(gè)內(nèi)部模擬比較器。我們?nèi)绾螌⑦@些比較器之一用于此應(yīng)用程序?

問題是UCD3138系列控制器的大多數(shù)成員不提供外部模擬比較器輸出。所以模擬比較器輸出不能直接連接到 SYNC 引腳。我能夠想出一個(gè)解決方法來克服這個(gè)問題，但我會(huì)從這里的細(xì)節(jié)中拯救你。

縮小以查看更大的圖景，我們實(shí)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多系統(tǒng)或設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在定義和設(shè)計(jì)UCD3138時(shí)未預(yù)想的拓?fù)浜团渲谩?

然而，這種數(shù)字控制器的靈活性使我們能夠在太陽能微型逆變器、雙向汽車 DC/DC、圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 等應(yīng)用中使用它。