對(duì)于大功率的DC-DC來說，效率和體積是工程師重點(diǎn)關(guān)注的方面。
提高開關(guān)頻率能有效的減小體積。通過交錯(cuò)并聯(lián)的方式，減少輸出電容的數(shù)量，并降低輸出電流的紋波。
輸出大電流的Buck電路拓普中，一般用同步整流MOS管替代硅整流二極管，可以提高電源的整體效率。
數(shù)字dsp芯片ePWM輸出配置的靈活性，特別適合交錯(cuò)+同步整流Buck電路。
附件中有完整的程序代碼。
DC-DC電源參數(shù)（非隔離Buck）：
輸入： 48V±10VDC
輸出電壓： 26V±0.5VDC
輸出電流： 77A
輸出電流紋波： <1%
輸出電壓峰峰值：<100mV
整機(jī)效率： >95%
控制方式： 峰值電流型BUCK電路
從上面的參數(shù)可知，采用非隔離BUCK電路拓普時(shí)，額定條件下工作時(shí)，主開關(guān)管的占空比接近50%，所以選擇兩路交錯(cuò)并聯(lián)的方式能有效的減小輸出電流的紋波。
由于輸出電流較大，采用同步整流的方式提高效率。
主電路框圖如下：
如果用模擬芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)上面主電路的控制，會(huì)非常復(fù)雜。而用TI的F28035來實(shí)現(xiàn)就會(huì)非常簡單。28035芯片資源分配如下：
PWM輸出：按照上面框圖驅(qū)動(dòng)四個(gè)MOS管。
ADC采樣：輸出電壓采樣Vout_FB——ADCINA1
輸出電流采樣Iout_FB——ADCINA6
輸入電壓采樣Vin_SEN——ADCINA3
模擬比較器：輸入電流互感器信號(hào)CS1+——COMP1A
輸入電流互感器信號(hào)CS2+——COMP2A
由28035構(gòu)成的數(shù)字控制環(huán)路框圖如下：
主功率電路中的MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片，用的是IR2181s，驅(qū)動(dòng)電路（部分原理圖）如下：
因?yàn)镮R2181s的Ho驅(qū)動(dòng)輸出，需要通過47uF/50V泵升電容進(jìn)行供電，而泵升電容每個(gè)開關(guān)周期都需要在同步整流MOS導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行充電，否則同步MOS管不導(dǎo)通，泵升電容就無法充電，Ho也就無法正常輸出。所以同步MOS要有一個(gè)最小的占空比限制，即占空比不能為0%。本例中設(shè)定的最小占空比為8%。
同步降壓電路中，要重點(diǎn)關(guān)注電感不連續(xù)時(shí)，如何控制同步MOS管的驅(qū)動(dòng)。主開關(guān)管與同步管是互補(bǔ)輸出的，在主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間后，同步管要處于導(dǎo)通狀態(tài)。但在電感電流不連續(xù)時(shí)，如果同步MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，會(huì)引起同步MOS管D-S端短路。所以在電感電流非連續(xù)時(shí)，要關(guān)閉同步MOS管的驅(qū)動(dòng)，在ePWM輸出模塊中要有相關(guān)的保護(hù)機(jī)制。
軟件的代碼是以TI的模板為基礎(chǔ)編寫的，模板文件如下，可以通過導(dǎo)入工程的方式獲得：
筆者為了在沒有安裝controlSUITE的電腦上編譯，就將所有TI的數(shù)字電源庫（DPL）文件導(dǎo)入到工程文件夾中，并重新修改了工程的搜索目錄和相關(guān)的配置參數(shù)。
下面來詳細(xì)介紹程序代碼：
首先是ePWM的配置：
PWM1A和PWM1B是互補(bǔ)的關(guān)系，且要有一定的死區(qū)時(shí)間，防止發(fā)生直通。
PWM2A和PWM2B也是互補(bǔ)的關(guān)系，但PWM1x與PWM2x是交錯(cuò)180°導(dǎo)通。在TI的數(shù)字電源庫中并沒有合適的配置文件，所以要拿現(xiàn)有的配置文件進(jìn)行一些修改。
將上面的配置文件導(dǎo)入到工程文件夾中，因?yàn)楣P者的工程中已經(jīng)包含該配置文件了，所以直接修改。
經(jīng)過這樣的修改，就可以得到PWMxA和PWMxB互補(bǔ)的PWM，但這時(shí)的死區(qū)時(shí)間為0。
在數(shù)字電源庫（DPL）初始化的時(shí)候設(shè)置PWM1的頻率（100KHz）和死區(qū)時(shí)間（200ns）。因?yàn)槟０逯械腜WM2是在中斷里進(jìn)行環(huán)路運(yùn)算的，要改為在CLA中運(yùn)算，然后配置PWM2。
完成上面的代碼后，可以看到PWM1x和PWM2x已經(jīng)有互補(bǔ)的PWM輸出了，但PWM2x還沒有移相。PWM1設(shè)為主，PWM2設(shè)為從，與PWM1同步，PWM2的相移設(shè)為開關(guān)周期的一半，即相移180°。
因?yàn)橥組OS管的最小占空比為8%，也就是說主降壓MOS管的最大占空比為92%。
此時(shí)四路驅(qū)動(dòng)波形
然后是ADC和模擬比較器的設(shè)定。這些內(nèi)容在筆者前面的文章中介紹過，就不再具體說明了。這里提一下，在ePWM模塊中也有一個(gè)比較器子模塊，稱為數(shù)字比較器子模塊。要將它與用于電感電流峰值比較的模擬比較器區(qū)分開。因?yàn)橹鞴β孰娐烽_關(guān)管的占空比存在大于50%的可能，所以要在模擬比較器的電流參考端加一定的斜率補(bǔ)償，防止次諧波振蕩。
因?yàn)镻WM1A和PWM2A導(dǎo)通的起點(diǎn)相差180°的，要產(chǎn)生的兩個(gè)斜率補(bǔ)償?shù)钠瘘c(diǎn)也是不一樣的，所以可以看到在模擬比較器的配置函數(shù)要如下圖方式配置：
斜率補(bǔ)償為16，如果實(shí)際工作中出現(xiàn)次諧波振蕩的情況，適當(dāng)增加這個(gè)值，就會(huì)改善。
接下來，詳細(xì)說明電感電流不連續(xù)時(shí)，同步MOS管的保護(hù)機(jī)制。
應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)負(fù)載電流小于電感紋波電流的1/2時(shí)，主功率電路的電感就會(huì)進(jìn)入非連續(xù)工作模式。
一般會(huì)有兩種檢測方法來判斷電感是否進(jìn)入非連續(xù)工作模式：
1）在主MOS管PWMxA處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，檢測A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓，如果為負(fù)值（一般會(huì)在-1.2V至-0.5V之間）則電感有持續(xù)的電流通過，電感兩端有壓降（等于輸出電壓值），同步MOS管可以導(dǎo)通，以減小導(dǎo)通損耗。如果出現(xiàn)大于0的值，則電感電流消失，電感不再有壓降，此時(shí)要關(guān)斷同步MOS管，防止短路。
該方法涉及到負(fù)值的采樣和采樣時(shí)機(jī)的把控，比較麻煩。
2）根據(jù)DC電源的工作范圍和功率電感的電感量，可以得到電感電流紋波的最大值，然后采樣輸出電流，即負(fù)載電流，將負(fù)載電流采樣值與電流紋波的1/2做比較，如果負(fù)載電流采樣值超過電流紋波的1/2則可以驅(qū)動(dòng)同步MOS管導(dǎo)通。否則要關(guān)斷同步MOS管。
第二種方法比較好實(shí)現(xiàn)，因此用來做為同步MOS管的保護(hù)機(jī)制。
筆者是通過ePWM模塊的TZ子模塊來完成同步MOS管的關(guān)斷保護(hù)的。這里有必要介紹一下TZ子模塊的結(jié)構(gòu)。如下圖：
從上面的框圖可以看出ePWM模塊的TZ子模塊是如何實(shí)現(xiàn)的峰值電流控制，電感電流與參考值在模擬比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)電感電流大于參考值時(shí)，會(huì)觸發(fā)PWM數(shù)字比較器的DCAEVT2.force或DCBEVT2.force事件，使主MOS管的驅(qū)動(dòng)PWMxA的關(guān)斷，其占空比由參考值來決定。
當(dāng)負(fù)載電流小于電感電流的1/2時(shí)，將寄存器TZCTL[TZB]的值寫為0，就能關(guān)斷PWMxB，即關(guān)斷同步MOS管。
在沒有出現(xiàn)電感峰值限流時(shí)，即沒有觸發(fā)PWM數(shù)字比較器的DCAEVT2.force或DCBEVT2.force事件時(shí)，寄存器TZCTL[TZB]的值寫0是沒有作用的，所以也就不會(huì)出現(xiàn)關(guān)斷同步MOS管的情況，這時(shí)的同步MOS管與主MOS管是互補(bǔ)輸出。
只要主MOS管的最大占空比不是100%（設(shè)定最大占空比為92%），則同步MOS管的最小占空比就不是0%（最小占空比為8%），這樣同步管一定會(huì)導(dǎo)通一小段時(shí)間，這確保了電源在上電啟動(dòng)的階段，負(fù)載電流較小時(shí)，不會(huì)始終關(guān)閉同步MOS管的驅(qū)動(dòng)，使IR2181s的泵升電容能夠正常充電來驅(qū)動(dòng)主MOS管，不會(huì)出現(xiàn)上電后，電源無法啟動(dòng)的問題。
另外要說的一點(diǎn)是，寄存器TZCTL[TZB]只能在中斷或主循環(huán)中進(jìn)行寫入操作，在CLA中是不能寫入的。因此只能構(gòu)建一個(gè)外設(shè)的中斷服務(wù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。在本例中，在ePWM3的CTR_ZERO中斷服務(wù)函數(shù)中改寫TZCTL[TZB]。
先配置ePWM3的寄存器：
還要正確配置ePWM3工作頻率（100KHz）和工作模式（單路輸出）
在main.c文件的最后，插入epwm3的中斷函數(shù)代碼：
在中斷服務(wù)中判斷是否應(yīng)該開啟同步整流。
到此，同步MOS管的保護(hù)機(jī)制已經(jīng)搭建完成了。
下面是環(huán)路控制算法。
環(huán)路控制的運(yùn)算是在CLA空間中進(jìn)行的，CLA空間支持浮點(diǎn)運(yùn)算，并且進(jìn)入PWM中斷的時(shí)間開銷小，運(yùn)算速度也比較快。下面是控制環(huán)路的算法：
這樣就能實(shí)現(xiàn)DC電源的恒壓恒流輸出的工作狀態(tài)。
還有一個(gè)問題要注意：CLA的Task1是由ePWM1來觸發(fā)的，應(yīng)當(dāng)此處同時(shí)更新Comp1和Comp2的電感電流參考值，即兩個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)功率電路的控制環(huán)路要做到“同時(shí)采樣，同時(shí)運(yùn)算，同時(shí)寫入，分時(shí)更新”。因?yàn)閑PWM1和ePWM2交錯(cuò)180°，所以就只能分時(shí)更新電感電流的參考值。
如果不能“同時(shí)采樣，同時(shí)運(yùn)算”就可能出現(xiàn)兩個(gè)功率電路不均流的情況，這時(shí)某一路的電感就可能處于非連續(xù)狀態(tài)，導(dǎo)致同步MOS管錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)，引起炸機(jī)。這點(diǎn)，筆者是有深刻教訓(xùn)的。為了避免交錯(cuò)并聯(lián)功率電路出現(xiàn)不均流問題，在PCB畫板時(shí)，要盡量對(duì)稱布局，同時(shí)兩個(gè)電感的參數(shù)要一致，最好磁芯都要用一個(gè)批次的。總之，盡量做到一致性。
在輸入48V，輸出26V/77A時(shí)，測到最高效率95.8%。當(dāng)強(qiáng)制關(guān)閉同步整流功能時(shí)，效率只能做到94%。同步MOS管在導(dǎo)通時(shí)的壓降只有不到0.2V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大電流肖特基二極管的正向?qū)▔航?.64V。
