C2000系列DSP移相同步功能的缺陷

隨著功率變換技術(shù)的發(fā)展，越來越多的調(diào)制方式得到研究，目前主要的三個(gè)調(diào)制方式：脈寬調(diào)制(PWM)，頻率調(diào)制(PFM)，移相調(diào)制(PSM)。其中脈寬調(diào)制提出比較早，應(yīng)用也是最為廣泛；頻率調(diào)制最典型的應(yīng)用當(dāng)屬LLC諧振變換器；移相調(diào)制目前主要應(yīng)用于移相全橋。在我對(duì)我的課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在閉環(huán)條件下，變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在丟周期現(xiàn)象，也就是我題目中提到的移相同步功能缺陷，導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁不平衡而發(fā)出噪聲。本文所提出的問題在移相全橋中并沒有出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在改進(jìn)型雙有源橋變換器(DAB)中，如下圖給出了常規(guī)DAB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對(duì)于大部分控制器，都可以完成脈寬調(diào)制和和頻率調(diào)制的工作，而能夠?qū)崿F(xiàn)移相調(diào)制的控制器較少，目前比較典型的當(dāng)屬德州儀器(TI)的C2000系列DSP，目前我比較了解的是其中TMS320F2833X和TMS320F280X兩個(gè)子系列，都存在移相同步丟周期的現(xiàn)象；對(duì)于更早的240X和2812系列，我不太確定是否存在這個(gè)問題。

如圖為出問題的時(shí)候的波形，其中綠色和紅色的波形分別為原副邊兩個(gè)全橋橋臂中點(diǎn)的輸出電壓，紫色波形為某一開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由圖中發(fā)現(xiàn)，在觸發(fā)時(shí)刻的一個(gè)周期，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)沒有做出預(yù)期的動(dòng)作，而是保持長高，導(dǎo)致原邊全橋的輸出矩形波缺少負(fù)電壓，此時(shí)電感電流由于向同一側(cè)勵(lì)磁時(shí)間超過設(shè)計(jì)預(yù)期，導(dǎo)致勵(lì)磁電感增大甚至飽和，可以聽到變壓器發(fā)出嗡嗡的聲音。

根據(jù)幾次重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，出問題的時(shí)候有一個(gè)統(tǒng)一的特點(diǎn)，就是原副邊全橋輸出波形，存在一個(gè)邊沿剛好對(duì)齊，上圖中對(duì)齊的邊沿為0電平到正跳變的邊沿，如圖虛線標(biāo)示。接下來我將對(duì)這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行著重分析。

首先要了解德州儀器TMS320F2833X/280X的移相機(jī)理：

直接貼上手冊(cè)里的圖

圖中給出了同步信號(hào)傳遞方式，當(dāng)然這只是其中一個(gè)子系列的結(jié)構(gòu)，其他也是類似的。每個(gè)ePWM模塊可以輸出兩路驅(qū)動(dòng)波形，分別用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂的上下管，占空比均為50%并帶有死區(qū)。上一個(gè)模塊會(huì)接收一個(gè)同步信號(hào)并將其直接傳遞到下一個(gè)模塊(也有其他傳遞方式)，模塊收到同步信號(hào)后將自己的計(jì)數(shù)器設(shè)定為當(dāng)前移相同步初始值，如此實(shí)現(xiàn)移相。通過不斷修改移相同步初始值即可實(shí)現(xiàn)幾路驅(qū)動(dòng)的相位調(diào)整。

ePWM模塊輸出反轉(zhuǎn)的條件為，計(jì)數(shù)器與設(shè)定比較值或周期值匹配，發(fā)生匹配時(shí)可以設(shè)定輸出動(dòng)作方式，可以設(shè)定為置1或置0，以及反轉(zhuǎn)。

然后總結(jié)這個(gè)問題出現(xiàn)的場景：

變換器閉環(huán)條件下出現(xiàn)，而開環(huán)從未出現(xiàn)過。

出現(xiàn)該問題時(shí)，變壓器原副邊全橋的輸出電壓某一邊沿剛好對(duì)齊。

根據(jù)以上分析，本文認(rèn)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失主要是由于輸出匹配邏輯引起的，由于輸出改變的條件是計(jì)數(shù)值與預(yù)設(shè)值匹配，而移相同步功能直接改變計(jì)數(shù)器數(shù)值，導(dǎo)致計(jì)數(shù)值剛好跳過了預(yù)設(shè)的比較匹配值，未能發(fā)生匹配，輸出因此沒有改變而維持了原有狀態(tài)。

圖中給出了驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失時(shí)發(fā)生的具體動(dòng)作，比較值CMP設(shè)定為周期PRD的一半，計(jì)數(shù)方式為單增計(jì)數(shù)。此前由于同步值小于半周期且一直沒發(fā)生變化，因此雖然每個(gè)周期都會(huì)有同步信號(hào)，但不會(huì)引起計(jì)數(shù)值的跳變，在圖中的第二個(gè)周期，移相同步預(yù)設(shè)值發(fā)生改變，由原來的小于半周期變?yōu)榇笥诎胫芷?，在同步信?hào)到來時(shí)，將計(jì)數(shù)值從小于半周期瞬間刷新為與移相同步預(yù)設(shè)值相等，而越過了半周期的比較匹配值，使本周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)不發(fā)生變化，在外界看來就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失的現(xiàn)象。

以上即為德州儀器C2000系列出現(xiàn)周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失的原因。而我們觀察到的邊沿對(duì)齊時(shí)出現(xiàn)丟失的問題是由于該時(shí)刻剛好是移相同步值與比較匹配值發(fā)生跨越的時(shí)刻，由于使用閉環(huán)控制，在穩(wěn)態(tài)附近不斷調(diào)整，出現(xiàn)反復(fù)跨越，因而頻繁出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)丟失的問題。移相全橋之所以沒出現(xiàn)這個(gè)問題，是由于它的移相角不可能達(dá)到半周期，也就不會(huì)發(fā)生移相值與比較值的跨越。

德州儀器如果希望從芯片層面解決這個(gè)問題，只需要增加比較邏輯，根據(jù)計(jì)數(shù)器當(dāng)前值與比較值的大小關(guān)系確定輸出。當(dāng)然，我對(duì)芯片的設(shè)計(jì)并不了解，不知道增加這一個(gè)功能大概需要多少邏輯單元及成本。