基于UCD3138的数字环路控制研究

程 立

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

近几十年来，随着电力电子技术和控制理论的飞速发展，电力电子产品得到了更为广泛的应用。为了设计出效率高、成本低、可靠性高的电力电子产品，高频化、软开关技术和数字控制器已经成为了电力电子技术发展的主要趋势。

高频化是通过增大开关器件的频率来实现提高电源的功率密度，减少变压器的体积和成本。但是，高频化后开关管的开通和关断损耗随之增加。在此基础上软开关技术能够减少功率开关管的关断损耗，但与此同时一般需要增加辅助电路来实现软开关功能，加大了系统设计的复杂度。相对于模拟电源，数字电源具有设计周期短、灵活多变、易实现模块化管理等优点。数字电源[1]通过软件编程来实现环路控制以及状态监控，具备可扩展性和重复使用性，用户可以通过修改程序参数来实现多种环路设计。

本文采用UCD3138数字电源控制芯片实现移相全桥拓扑功能。UCD3138是一种高性能数字电源控制芯片，具备强大的数字控制和通讯功能，完全可编程。通过对环路的模-数转换模块ADC、数字脉冲调制模块DPWM和环路补偿器PID进行设计，减少对外围无源器件的需求，降低参数漂移引起误差的可能性，提高了环路控制响应的稳定性和可靠性，对实际环境中电源设计具有指导意义。

1 基于UCD3138的数字电源设计

移相全桥 DC-DC 变换器应用广泛[2-3]，属于软开关电路的范畴。它的特点是电路简单，同硬开关全桥电路相比，仅仅在高频变压器原边增加一个谐振电感就使得电路中4个功率开关管均能实现 ZVS。

1.1 移相全桥拓扑分析

本文基于UCD3138控制芯片采用移相全桥拓扑设计[4-5]，实现输入400 VDC，输出12 VDC，电流30 A，满载输出时纹波不大于100 mV。本文移相全桥电源主要包括移相全桥拓扑和环路控制两个方面。下文分别对这两个方向进行分析。

本文采用的电路拓扑为移相全桥[6]，其拓扑网络如图1所示。

理想移相全桥功率开关管的驱动波形如图2所示。

移相全桥 DC-DC变换器的每个工作周期可以分为 14个时区，其中t0～t7和t7～t0的工作过程完全相同，故下面主要讨论t0～t7时间段变换器的工作过程。

t0～t1时间段：Q1与Q4同时导通，这段时间直流电压源通过高频变压器对输出电容充电。

t1～t2时间段：Q1关断，Q1与Q2的寄生电容C1与C2参与工作，C1两端电压从0 V充电到Vbus，C2两端电压从Vbus到0 V。

t2～t3时间段：从t2时刻开始，Q2的续流二极管开始续流，直流电压源不参与工作，输出电容为负载供电。

t3～t4时间段：t3时刻关断Q4，Q3和Q4的寄生电容C3和C4参与电路工作。

t4～t5时间段：从t4时刻开始，高频变压器开始强迫换流，副边整流二极管全部导通，原边不能向副边传递能量，即出现占空比丢失的现象。

t5～t6时间段：在t5时刻，Q3的续流二极管开始续流，t6时刻高频变压器原边电流将为0。

t6～t7间段：在t6时刻高频变压器原边电流降为0后反向，Q2和Q3工作。

1.2 UCD3138控制芯片

UCD3138是Texas Instruments公司推出的一款数字电源控制芯片。UCD3138基于ARM7TDMI-S微控制器(32位，31.25MHz)，能够进行实时电路参数采样，通讯和环路配置。UCD3138具备高集成度、高可靠性和最低总系统成本等优点，并且能够灵活支持大量控制方案和拓扑结构。

移相全桥环路控制主要包括环路补偿和状态监测两个方面。UCD3138的控制核心是3个数字电源外设单元。每个单元可以根据8路DPWM输出进行参数配置。它们包含差分误差ADC(EADC)，两个内置2极点和2零点PID控制补偿器。数字控制环路结构图如图3所示。

UCD3138的数字控制核心是3个数字电源外设(DPP)，每个DPP都有一个专用高速的误差模数转换器(EADC)、基于PID的双极点/双零点数字补偿器以及高精度DPWM输出组成。同时，UCD3138内置267 ksps，12位的通用模-数转换器(ADC)定时器，中断控制器，JTAG调试和PMBus或UART通讯接口。UCD3138提供32 KB的编程flash、2 KB的数据flash、4 KB的RAM和4 KB的ROM。通用ADC能够对整个电路节点的电源状态进行监控，并且通过PMBus和UART与上位机进行实时通讯，实现电源单元在线测试。UCD3138主要通过PMbus与上位机进行通讯和固件烧写，TI提供了相关PMbus协议，可以通过该协议对UCD3138电源功能进行扩展与补充。

2 环路控制分析与仿真

本文电路主要采用UCD3138控制芯片，其基本控制主要基于PID环路控制理论[7]。TI提供了上位机软件可以对UCD3138环路参数进行简单的设置和分析，同时对电源单元的状态进行监控，其上位机软件界面如图4所示。

2.1 控制环路设计

PID控制理论是一个非常成熟的控制理论，具有结构简单、易于实现等特点, 其控制器早已被广泛应用于各类系统的控制中。本小节主要对UCD3138内置数字环路控制策略进行分析与仿真。UCD3138内置3路独立PID控制模块(control-law algorithm, CLA)，在z域的表达式为

(1)

通过双线性变换得到s域公式为

(2)

上述公式有两个零点和一个极点，K0K0是频域原点的增益。

UCD3138的反馈环路内置一个低通滤波器，低通滤波器增加了一个极点。

(3)

闭环传递函数为

(4)

式(4)是移相全桥功率模块电路的传递函数。根据式(4)得到UCD3138内部PID控制寄存器参数设置数值。

(5)

(6)

(7)

(8)

PID参数影响如下：其中增加KP推高两个零点之间的增益，使其远离；增加KI推高低频段积分曲线，提供更高的低频增益，第1个零点将往右移；增加KD将使第2个零点向左平移，但不影响第2个极点。UCD3138通过配置寄存器实现对PID反馈环路的控制，其PID滤波器采用二进制算法，其配置方式如图5所示。

在滤波器下一级进行数值处理，其流程图如图6所示。

最后，将PID输出与DPWM输入相匹配，实现移相全桥PWM波输出。

2.2 实验仿真结果

根据上述控制原理，通过matlab的Simulink实现对移相全桥的电路仿真，如图7所示。

观测输出，得到如图8所示波形。对反馈环路进行波特图分析，可以得到如图9所示图形。

通过图9可以看出，通过环路补偿，整个模块的增益得到提高，且环路穿越频率远小于工作频率，电源能够稳定工作。依据上述硬件设计过程和软件控制环路参数，搭建试验样机，编写控制程序，对UCD3138数字电源模块输出电压进行实验验证。通过实际电路应用，得到移相全桥控制波形如图10所示。

图10中，通道1、2、3、4分别为Q1、Q2、Q3、Q4控制波形，其时序满足移相全桥工作条件，符合预期。电源启动和关闭波形如图11所示。电源波形建立稳态时间22 ms，关闭时由于负载电容的原因需要1.4 s。从建立稳态到关闭电源过程中，输出电压恒定，波形没有较大波动，证明了电源在开关机时的稳定性。移相全桥轻载时输出波形和纹波波形如图12所示。

移相全桥满载输出波形和纹波波形如图13所示。

图12(a)和图13(a)表明当负载从轻载变为满载时输出电压波形浮动较小，电源输出稳定；图12(b)和图13(b)表明当电源负载从空载变为满载时其纹波大小始终在50 mV以内，远小于输出电压12 V，动态负载和大功率负载情形下输出波形失调小，输出稳定，证明该控制环路调节效果好，满足设计需求。

3 结束语

本文基于UCD3138对移相全桥拓扑进行了实验验证，对PID环路补偿进行了分析与验证，完成了符合要求的数字电源设计。实验表明，本文设计的移相全桥输出电源稳定，纹波较小，动态响应迅速，环路控制稳定，上位机控制简便易行，是一款高性能、高效率的数字电源，具有良好的前景。