基于DSPic通信电源模块数字控制研究

论文摘要

数字控制技术在开关电源中的应用正变得越来越广泛,开关电源的数字控制器包含三个主要的功能模块:模数转换器、数字补偿器和数字脉宽调制器。本论文总结和比较了当今国际上高频开关电源数字控制器各个模块的先进技术和发展方向。数字电源要在高频开关电源应用领域中实用化、市场化,在技术上仍然存在许多的难关需要攻克。其中模数转换器和数字脉宽调制器的分辨率问题给系统带来了极限环振荡的隐患,采样时滞现象增加了实现电源的电压调节快速动态响应特性的难度,同时数字补偿器必须在一个开关周期内完成若干次乘法和加法运算以便及时更新占空比信息,从而对数字控制器的运算速度提出了非常高的要求。本文集中研究和讨论解决这些技术难点的途径,利用matlab中的SISOTOOL模块,通过直接数字设计提出了2P2Z的数字补偿算法。按照高频开关电源的设计步骤,本文对主要元器件进行了参数的计算以及选型,并利用matlab中的SIMULINK模块对电路的稳态瞬态性能进行仿真研究。为了对理论分析和仿真研究进行验证,本文设计实现了一款基于DSPic30F2020高性能数字信号处理器并采用2P2Z控制算法的高频全桥拓扑大功率通信一次电源整流模块。实验结果表明,该数字电源方案稳定可靠,性能参数优异,能够满足应用的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 数控技术在电力电子行业的发展历史和研究现状
• 1.3 数字控制的优势体现
• 1.4 数字电源的发展趋势和市场前景
• 1.5 论文的篇章结构
• 第2章 高频开关电源数字控制器
• 2.1 数字控制器结构概述
• 2.2 数字补偿器
• 2.2.1 数字补偿器的工作原理与技术特点
• 2.2.2 数字补偿器的设计方法
• 2.3 模数转换器
• 2.3.1 闪速式ADC
• 2.3.2 逐次逼近式ADC
• 2.3.3 流水线ADC
• 2.3.4 延迟线ADC
• 2.3.5 ADC分辨率要求
• 2.4 数字脉宽调制器
• 2.4.1 计数器型DPWM
• 2.4.2 基于延迟线的DPWM
• 2.4.3 混合型的DPWM
• 2.4.4 DPWM分辨率要求
• 2.5 DSPic数字信号控制器
• 2.5.1 DSPic概述
• 2.5.2 DSpic芯片内部架构
• 2.5.3 DSpic芯片接口功能及应用
• 第3章 开关电源控制环路设计
• 3.1 环路控制基础理论
• 3.1.1 系统稳定的准则
• 3.1.2 零点极点所引起的增益曲线变化规律
• 3.1.3 输出LC滤波器的幅相特性
• 3.2 数字采样时间配置
• 3.3 MATLAB中SISO设计工具简介
• 3.4 间接数字设计
• 3.5 直接数字设计
• 3.5.1 忽略延时效应的直接数字设计
• 3.5.2 考虑延时效应的直接数字设计
• 3.5.3 时滞危机下的系统
• 第4章 电源系统总体设计
• 4.1 主电路总体设计
• 4.1.1 电压型全桥变换电路工作原理及控制方式
• 4.1.2 主系统结构
• 4.1.3 高频开关电源的技术指标
• 4.1.4 主电路重要元件参数设计
• 4.2 控制器总体设计
• 4.2.1 系统软件框架
• 4.2.2 数字控制器外围电路
• 4.2.3 控制环路参数设计
• 4.2.4 主程序算法的分析与实现
• 4.3 仿真验证
• 4.3.1 系统稳态仿真
• 4.3.2 参考阶跃响应
• 4.3.3 输入阶跃响应
• 4.3.4 负载阶跃响应
• 4.3.5 仿真结果分析
• 4.4 实验验证
• 4.4.1 稳态波形
• 4.4.2 动态波形
• 4.4.3 试验结果分析
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文