MPLAB? PowerSmart?中采用仿真的方式設(shè)計(jì)峰值電流模式BOOST變換器閉環(huán)特性曲線

根據(jù)前述文章，我們理解了BOOST變換器的功率級(jí)小信號(hào)特性曲線，進(jìn)而采用模擬運(yùn)放搭建的補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，設(shè)計(jì)了一個(gè)閉環(huán)穩(wěn)定的峰值電流模式控制的BOOST變換器，本文重點(diǎn)討論一下在設(shè)計(jì)數(shù)字補(bǔ)償器時(shí)的一個(gè)方法，即通過仿真的方式得到功率級(jí)傳遞函數(shù)BODE圖，并結(jié)合數(shù)字補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)二者進(jìn)行疊加從而得到開環(huán)傳遞函數(shù)的BODE圖，在沒有環(huán)路測試設(shè)備時(shí)，這是一種可行的方式。

為減小篇幅，本文我們采用一個(gè)已經(jīng)做好的峰值電流模式控制BOOST變換器的MPLAB XIDE的工程，硬件電路基于Microchip的數(shù)字電源開發(fā)板DPSK3.有興趣的讀者，可以參考筆者前述相關(guān)文章進(jìn)行基本模塊設(shè)置。

圖1 已經(jīng)建好的MPLAB XIDE工程

圖2 將PowerSmart工程保存在了Important Files目錄

通過將所建立的PowerSmart工程保存在MPLAB XIDE的從工程目錄下的Important Files目錄下，可以很方便的打開現(xiàn)有PowerSmartDCLD的配置，且不同配置之間不易混淆。

圖3 將元件庫中的PCMC峰值電流模式控制組件移到工程區(qū)

本實(shí)驗(yàn)是針對(duì)BOOST電路峰值電流模式控制，因此我們通過向上箭頭將組件庫區(qū)域的組件之一，PCMC模塊移到項(xiàng)目工程區(qū)域。并且在建立PowerSmartDCLD工程時(shí)，將其指定給我們當(dāng)前的MPLAB XIDE工程，所以在右側(cè)窗口中可以看到指定目錄后，顯示綠色箭頭，MPLAB XIDE工程特性下載成功。

圖4 PowerSmart控制框圖顯示

右側(cè)控制框圖中包含整個(gè)控制環(huán)路的各個(gè)部分，其中藍(lán)色部分為數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)置部分，黃色部分為功率級(jí)傳遞函數(shù)設(shè)置部分，其它白色模塊不可編輯，僅僅作為原理示意圖。

圖5 兩種導(dǎo)入功率級(jí)數(shù)據(jù)的方式

點(diǎn)擊黃色部分功率級(jí)模塊設(shè)置，從圖5來看，PowerSmartDCLD支持兩種導(dǎo)入功率級(jí)傳遞函數(shù)的方式，其中一種是數(shù)據(jù)文件直接導(dǎo)入（如網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試數(shù)據(jù)等），這里我們不做詳細(xì)討論。本文重點(diǎn)討論一下，通過仿真的方式來導(dǎo)入數(shù)據(jù)，即選項(xiàng)卡上的第二種Simplis/Mindi（注：Mindi是基于Simplis和Microchip器件庫的免費(fèi)仿真軟件）。

圖6選擇仿真文件存放目錄位置

可以把事先建立的仿真文件如Simplis或者Mindi文件放在特定目錄下，然后在PowerSmart中指定目錄而打開它。

圖7 打開Mindi仿真文件

點(diǎn)擊Open打開仿真文件，這里顯示出即將打開Mindi文件。

圖8 基于Microchip的Pterm補(bǔ)償器及PWM模塊創(chuàng)建功率級(jí)

在這里，我們不同于前面的仿真方式，而采用Microchip的Pterm控制器模塊，給功率級(jí)一個(gè)單倍比例控制環(huán)路，并且將必要的反饋分壓比例，斜波補(bǔ)償，PWM參數(shù)設(shè)定好，以便將這些功率級(jí)之外的環(huán)節(jié)系數(shù)抵消，即可通過測量比例環(huán)節(jié)的環(huán)路特性，從而得到功率級(jí)的傳遞函數(shù)特性曲線。參數(shù)設(shè)置和前述文章一致，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

圖9 設(shè)置Pterm控制器電壓反饋部分

這部分主要設(shè)置輸出分壓部分的增益信息。

圖10 設(shè)置Pterm控制器控制輸出部分

這部分主要設(shè)置數(shù)字化PWM部分的增益信息。

圖11 設(shè)置PWM模塊參數(shù)

經(jīng)過前述參數(shù)設(shè)置之后，即可以進(jìn)行運(yùn)行仿真，得到時(shí)域及頻域特性曲線。

此處的參數(shù)特別說明一下，CTRL_IN Start-of-Cycle為0表示控制范圍初始值為0%，而CTRL_IN End of Cycle為1表示控制終點(diǎn)為100%，同時(shí)在Minimum Duty Cycle中設(shè)置最小占空比為1%，Maximum Duty Cycle中設(shè)置最大占空比為80%。Slope Compensation設(shè)置為340mV/us.

圖12 設(shè)置瞬態(tài)POP仿真參數(shù)

若仿真不收斂，可以進(jìn)一步調(diào)整Maximum period參數(shù)為更大的值。

圖13 設(shè)置AC頻域仿真參數(shù)

進(jìn)行合適的起始頻率及終止頻率設(shè)置，以便在仿真結(jié)果中合理的顯示BODE圖曲線。

圖14 Mindi時(shí)域仿真波形驗(yàn)證

圖15 時(shí)域仿真波形中的典型參數(shù)測試

通過測試得知占空比，輸出電壓等都合理。

圖16 小信號(hào)頻率仿真結(jié)果

通過頻域仿真結(jié)果來看，得知穿越頻率為3.24kHz，相位裕量為85.6C.

圖17 右鍵直接將數(shù)據(jù)copy到Clipboard并Graph Data

圖18 選擇增加相位消弱選項(xiàng)并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入PowerSmartDLCD顯示

如圖18中，選擇Import Data from Clipboard之后即可將仿真軟件中的BODE圖數(shù)據(jù)通過剪切板導(dǎo)入到PowerSmartDCLD的引入窗口中，注意在導(dǎo)入前需要選擇add Phase Erosion選項(xiàng)，這一點(diǎn)在圖19中進(jìn)行了解釋。

圖19 關(guān)于高頻段相位糾正的說明

圖20 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PowerSmartDCLD生效前檢查BODE圖

圖21 點(diǎn)擊OK后可以導(dǎo)入PowerSmartDCLD框圖

顯示功率級(jí)BODE圖信息無誤后，如上述圖21中的OK按鈕點(diǎn)擊后即可將仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入到控制框圖中。

圖22 控制框圖中的功率級(jí)BODE曲線

通過對(duì)比本文前面的仿真結(jié)果，穿越頻率3.24kHz和相位裕量85C基本一致。

圖23 點(diǎn)擊橙色數(shù)字補(bǔ)償器框圖模塊進(jìn)行設(shè)置

圖24 輸入采樣反饋信號(hào)歸一化設(shè)置

在圖24所示框中，進(jìn)行關(guān)于ADC的相關(guān)信息，及分壓電阻網(wǎng)絡(luò)等設(shè)置，其中ADC為12bit分辨率，且供電為AVDD 3.3V,R1為輸出上分壓電阻，R2為輸出下分壓電阻。

圖25 二型補(bǔ)償器零極點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)前述我們仿真得到的功率級(jí)零極點(diǎn)特性，我們進(jìn)行二型補(bǔ)償器零極點(diǎn)設(shè)置，如圖25所示，相關(guān)注意事項(xiàng)及原理這里我們不做討論，可以參考前述相關(guān)文章。

圖26 數(shù)字控制器的零極點(diǎn)設(shè)置更新后在控制框圖中立即生效

圖27 BOOST電路開環(huán)傳遞函數(shù)BODE圖

在我們將數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)置結(jié)果更新后，立即生效在控制框圖中，此時(shí)，我們可以將其開環(huán)傳函的BODE圖顯示出來，如圖所示，帶寬1.619kHz，相位裕量80.9C，符合預(yù)期。這里注意，通過光標(biāo)可以顯示出相位過零點(diǎn)，增益過零點(diǎn)等頻率，及相應(yīng)的相位信息，同時(shí)可以切換相位的參考點(diǎn)為0或者180C.

圖28 單獨(dú)顯示數(shù)字補(bǔ)償器的BODE圖曲線

圖29 同時(shí)顯示補(bǔ)償器/原始功率級(jí)/開環(huán)傳函曲線

除了單獨(dú)顯示各個(gè)曲線之外，我們可以將數(shù)字補(bǔ)償器，功率級(jí)傳遞函數(shù)，完整開環(huán)傳函曲線同時(shí)顯示在一個(gè)界面上，以便方便對(duì)比分析。

總結(jié)，本文通過基于一個(gè)現(xiàn)有MPLAB XIDE 創(chuàng)建的BOOST峰值電流模式控制的變換器的工程，演示如何通過Microchip的數(shù)字電源開發(fā)套件MPLAB® PowerSmart來進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償器設(shè)計(jì),重點(diǎn)是如何通過仿真的方式得到功率級(jí)BODE圖，進(jìn)而和DCLD設(shè)計(jì)的數(shù)字補(bǔ)償器進(jìn)行疊加產(chǎn)生完整的開環(huán)傳遞函數(shù)BODE圖進(jìn)行評(píng)估電路環(huán)路穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：MPLAB® PowerSmart? Development Suite Quick Start Guide

//關(guān)于知識(shí)產(chǎn)權(quán)：

1.本公眾號(hào)主要用于個(gè)人學(xué)習(xí)筆記歸納及分享，無任何商業(yè)目的。

2.本公眾號(hào)所發(fā)表言論及觀點(diǎn)不代表本人現(xiàn)任公司及前任公司，如有錯(cuò)誤請不吝指正。

3.如果認(rèn)為有幫助可以分享轉(zhuǎn)發(fā)，如需轉(zhuǎn)載公眾號(hào)內(nèi)容，請留言告知。

4.有些圖片來自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。

5.有問題可通過公眾號(hào)關(guān)注頁或者文末添加本人微信加入技術(shù)交流群暢聊。