MPLAB® PowerSmart™中采用仿真的方式设计峰值电流模式BOOST变换器闭环特性曲线

根据前述文章，我们理解了BOOST变换器的功率级小信号特性曲线，进而采用模拟运放搭建的补偿器进行补偿的方式，设计了一个闭环稳定的峰值电流模式控制的BOOST变换器，本文重点讨论一下在设计数字补偿器时的一个方法，即通过仿真的方式得到功率级传递函数BODE图，并结合数字补偿器的设计结果，对二者进行叠加从而得到开环传递函数的BODE图，在没有环路测试设备时，这是一种可行的方式。

为减小篇幅，本文我们采用一个已经做好的峰值电流模式控制BOOST变换器的MPLAB XIDE的工程，硬件电路基于Microchip的数字电源开发板DPSK3.有兴趣的读者，可以参考笔者前述相关文章进行基本模块设置。

图1 已经建好的MPLAB XIDE工程

图2 将PowerSmart工程保存在了Important Files目录

通过将所建立的PowerSmart工程保存在MPLAB XIDE的从工程目录下的Important Files目录下，可以很方便的打开现有PowerSmartDCLD的配置，且不同配置之间不易混淆。

图3 将元件库中的PCMC峰值电流模式控制组件移到工程区

本实验是针对BOOST电路峰值电流模式控制，因此我们通过向上箭头将组件库区域的组件之一，PCMC模块移到项目工程区域。并且在建立PowerSmartDCLD工程时，将其指定给我们当前的MPLAB XIDE工程，所以在右侧窗口中可以看到指定目录后，显示绿色箭头，MPLAB XIDE工程特性下载成功。

图4 PowerSmart控制框图显示

右侧控制框图中包含整个控制环路的各个部分，其中蓝色部分为数字补偿器设置部分，黄色部分为功率级传递函数设置部分，其它白色模块不可编辑，仅仅作为原理示意图。

图5 两种导入功率级数据的方式

点击黄色部分功率级模块设置，从图5来看，PowerSmartDCLD支持两种导入功率级传递函数的方式，其中一种是数据文件直接导入（如网络分析仪的测试数据等），这里我们不做详细讨论。本文重点讨论一下，通过仿真的方式来导入数据，即选项卡上的第二种Simplis/Mindi（注：Mindi是基于Simplis和Microchip器件库的免费仿真软件）。

图6选择仿真文件存放目录位置

可以把事先建立的仿真文件如Simplis或者Mindi文件放在特定目录下，然后在PowerSmart中指定目录而打开它。

图7 打开Mindi仿真文件

点击Open打开仿真文件，这里显示出即将打开Mindi文件。

图8 基于Microchip的Pterm补偿器及PWM模块创建功率级

在这里，我们不同于前面的仿真方式，而采用Microchip的Pterm控制器模块，给功率级一个单倍比例控制环路，并且将必要的反馈分压比例，斜波补偿，PWM参数设定好，以便将这些功率级之外的环节系数抵消，即可通过测量比例环节的环路特性，从而得到功率级的传递函数特性曲线。参数设置和前述文章一致，用户可以根据实际情况进行设置。

图9 设置Pterm控制器电压反馈部分

这部分主要设置输出分压部分的增益信息。

图10 设置Pterm控制器控制输出部分

这部分主要设置数字化PWM部分的增益信息。

图11 设置PWM模块参数

经过前述参数设置之后，即可以进行运行仿真，得到时域及频域特性曲线。

此处的参数特别说明一下，CTRL_IN Start-of-Cycle为0表示控制范围初始值为0%，而CTRL_IN End of Cycle为1表示控制终点为100%，同时在Minimum Duty Cycle中设置最小占空比为1%，Maximum Duty Cycle中设置最大占空比为80%。Slope Compensation设置为340mV/us.

图12 设置瞬态POP仿真参数

若仿真不收敛，可以进一步调整Maximum period参数为更大的值。

图13 设置AC频域仿真参数

进行合适的起始频率及终止频率设置，以便在仿真结果中合理的显示BODE图曲线。

图14 Mindi时域仿真波形验证

图15 时域仿真波形中的典型参数测试

通过测试得知占空比，输出电压等都合理。

图16 小信号频率仿真结果

通过频域仿真结果来看，得知穿越频率为3.24kHz，相位裕量为85.6C.

图17 右键直接将数据copy到Clipboard并Graph Data

图18 选择增加相位消弱选项并将数据导入PowerSmartDLCD显示

如图18中，选择Import Data from Clipboard之后即可将仿真软件中的BODE图数据通过剪切板导入到PowerSmartDCLD的引入窗口中，注意在导入前需要选择add Phase Erosion选项，这一点在图19中进行了解释。

图19 关于高频段相位纠正的说明

图20 数据导入到PowerSmartDCLD生效前检查BODE图

图21 点击OK后可以导入PowerSmartDCLD框图

显示功率级BODE图信息无误后，如上述图21中的OK按钮点击后即可将仿真数据导入到控制框图中。

图22 控制框图中的功率级BODE曲线

通过对比本文前面的仿真结果，穿越频率3.24kHz和相位裕量85C基本一致。

图23 点击橙色数字补偿器框图模块进行设置

图24 输入采样反馈信号归一化设置

在图24所示框中，进行关于ADC的相关信息，及分压电阻网络等设置，其中ADC为12bit分辨率，且供电为AVDD 3.3V,R1为输出上分压电阻，R2为输出下分压电阻。

图25 二型补偿器零极点设置

根据前述我们仿真得到的功率级零极点特性，我们进行二型补偿器零极点设置，如图25所示，相关注意事项及原理这里我们不做讨论，可以参考前述相关文章。

图26 数字控制器的零极点设置更新后在控制框图中立即生效

图27 BOOST电路开环传递函数BODE图

在我们将数字补偿器设置结果更新后，立即生效在控制框图中，此时，我们可以将其开环传函的BODE图显示出来，如图所示，带宽1.619kHz，相位裕量80.9C，符合预期。这里注意，通过光标可以显示出相位过零点，增益过零点等频率，及相应的相位信息，同时可以切换相位的参考点为0或者180C.

图28 单独显示数字补偿器的BODE图曲线

图29 同时显示补偿器/原始功率级/开环传函曲线

除了单独显示各个曲线之外，我们可以将数字补偿器，功率级传递函数，完整开环传函曲线同时显示在一个界面上，以便方便对比分析。

总结，本文通过基于一个现有MPLAB XIDE 创建的BOOST峰值电流模式控制的变换器的工程，演示如何通过Microchip的数字电源开发套件MPLAB® PowerSmart来进行环路补偿器设计,重点是如何通过仿真的方式得到功率级BODE图，进而和DCLD设计的数字补偿器进行叠加产生完整的开环传递函数BODE图进行评估电路环路稳定性。

参考文献：MPLAB® PowerSmart™ Development Suite Quick Start Guide

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