關于滯環(huán)電流控制和 HSA8000 控制器的基本概念介紹

在去 A 化的背景下，朋友推薦給了一個國產(chǎn)的數(shù)字電源控制 IC—華大半導體圖騰柱 PFC 控制器 HSA8000-N。它是數(shù)字模擬混合 IC，使用了開源的 RISC-V 內(nèi)核，無需擔心美國制裁。片上有豐富的高性能模擬和數(shù)字外設，如 ADC 采樣，由事件驅(qū)動的 PWM，電網(wǎng)鎖相環(huán)，高速模擬比較器等等。所以可以大幅度降低整個方案的外部零部件數(shù)量和系統(tǒng)成本，可見圖一所示：

（圖一 HSA8000-N 無橋圖騰柱 PFC 方案）

它易于使用，無需用戶編程。原廠已經(jīng)寫入了固件，用戶只需通過 GUI 對某些控制參數(shù)進行修改，來滿足項目的性能要求。由于使用數(shù)字內(nèi)核，所以有較好的靈活性。它使用 CCM 和 CRM 兩種控制方式用來分別優(yōu)化重載和輕負載的效率，使得由這個芯片控制的 PFC 可以滿足 80Plus 鈦金的效率標準。

可以說是高性能服務器電源，通信電源，大功率家電的前級 PFC 部分的非常優(yōu)秀的解決方案。特別是對于有需求做高效率無橋圖騰柱 PFC，但是沒有 DSP 控制能力的朋友來說可以算是一個福音了。畢竟 HSA8000 這個方案簡單，成本低，還算是非常香的了。

而且不同于常規(guī)的 CCM PFC 使用平均電流模式控制，它使用了滯環(huán)電流控制方法。使用這種控制方法可以在一個正弦周期內(nèi)來實現(xiàn) CCM 和 CRM 兩種工況的自然過渡，尤其是在 CRM 模式工作時?？刂破髟O置滯環(huán)電流控制器的低端比較值為零，同時再檢測高頻開關節(jié)點的電壓，進行綜合邏輯判斷后能實現(xiàn) TCM 模式，實現(xiàn)更高的效率。示意圖可見圖二所示。有關圖騰柱 PFC 的具體控制，將在后面的文章展開，這里只是功能性的介紹。

（圖二 正弦周期內(nèi)的 CRM 和 CCM 工況）

滯環(huán)控制也稱為 bang-bang 控制或紋波調(diào)節(jié)器控制，屬于 PWM 跟蹤技術(shù)，它具有實時控制、響應速度快、魯棒性強等特點，分別是：

它響應時間最快（無需計算精確的平均電流）

ADC 的精度要求低 （此架構(gòu)中電流內(nèi)環(huán)無需采樣轉(zhuǎn)換參與控制）

外接電感的精度要求低 （因為是基于紋波電流控制，電感偏移 20%問題也不大）

環(huán)路濾波算法簡單 （無需計算精確的電感平均電流）

EMI 性能更好（滯環(huán)直接電流控制的自然變頻）

PWM 分辨率要求低 （無需計算精確的電感平均電流）

過流保護能力強 （Cycle by cycle 比較器 limits）

更適用于 AC/DC 設計（片上有 AC 硬件鎖相環(huán)鎖定電網(wǎng)頻率和相位）

拓撲的電感電流可以是連續(xù)模式運行，也可以是斷續(xù)模式運行。不同于峰值電流模式，使用滯環(huán)控制時即使電感電流連續(xù)占空比大于 50%也無需斜坡補償也能穩(wěn)定工作。圖三是滯環(huán)控制的實現(xiàn)原理，當電感電流的峰值高于控制設定值后關閉開關管，同時電感電流下降，當電感電流下降到低于控制設定值后再開啟開關管。

其中（CTRL_H – CTRL_L）就是電感電流的紋波，如果通過電壓外環(huán)改變電感電流控制值的大小，就可以控制流入電感的電流幅度，實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的控制。圖四展示了電感電流受滯環(huán)控制值的實時限制：

（滯環(huán)控制值實時限制了電感電流）

從控制的效果來看，由于滯環(huán)控制每個周期都控制了流入電感的電流，因此在控制模型的角度來看，也應該同于其它電流模式的分析方法。也可以把電感看成可控電流源，從而簡化系統(tǒng)的控制模型，降低為一階系統(tǒng)，更易于控制和穩(wěn)定。圖五是通過在滯環(huán)控制值上注入擾動，測試的頻率響應。從幅頻特性圖來看，滯環(huán)電流控制的功率級電流內(nèi)環(huán)呈一階模型，易于控制和穩(wěn)定，與峰值電流模式相似。

（ 滯環(huán)控制的頻率響應分析）

但是它的控制方法可以歸為非線性控制范圍，沒有傳統(tǒng) PWM 的載波和調(diào)制的概念。在定頻 PWM 工作時，電感電流的紋波只和電感量和負載電流有關系。但是滯環(huán)控制還會因為電感電流紋波的大小反應到開關頻率的變化范圍上。因此為了簡化磁件設計，縮窄頻率變化范圍，建議還是使用較小的電感電流紋波值。為了實現(xiàn)滯環(huán)控制，還需要準確的監(jiān)測電感電流的峰值和谷值，如果是使用 ADC 來做模數(shù)轉(zhuǎn)換就很難實現(xiàn)這種控制方法。因此滯環(huán)控制的實現(xiàn)必須是基于高速模擬比較器才行，能準確的判斷出電感電流的峰值和谷底點。華大半導體的 HSA8000 圖騰柱控制器就集成有高速模擬比較器，可見圖六所示。用來判斷電感電流的峰值和谷值點，產(chǎn)生兩個狀態(tài)標志位，PWM 控制器內(nèi)部有狀態(tài)機用來實現(xiàn)滯環(huán)控制方法。

內(nèi)置有兩個模擬比較器

在上文中我們已經(jīng)知道滯環(huán)控制的實現(xiàn)方法，可以在仿真軟件中用 SR 觸發(fā)來實現(xiàn)這個邏輯，可見圖七所示。當電感電流大于峰值設置后，SR 觸發(fā)器拉低 Q 輸出，當電流低于谷底設置后 SR 觸發(fā)再拉高 Q 的輸出。如果是互補的 PWM 就可以使用 Q 非，其邏輯的實現(xiàn)不在累述。

滯環(huán)控制的仿真實現(xiàn)

實現(xiàn)的邏輯可見圖八：

滯環(huán)控制的仿真波形

因此可以搭建一個同步 BUCK 供測試和分析滯后電流控制模式的性能，其模型可見圖九：

由滯環(huán)電流模式控制的 BUCK 變換器

首先進行動態(tài)響應測試，測試負載從 10% ~ 90%的變化，輸出電壓的過沖和下沖的值僅為 0.8V，約為輸出電壓的 6.6%。說明滯環(huán)電流模式的調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定性都非常不錯，可見圖十。

（ 滯環(huán)電流控制的動態(tài)響應測試）

小結(jié)：

簡單的介紹了滯環(huán)電流控制和 HSA8000 控制器的基本概念，控制方法的仿真實現(xiàn)和動態(tài)性能測試。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)滯環(huán)電流控制的響應速度和穩(wěn)定性都非常不錯，是一種優(yōu)秀的控制方法。
責任編輯:pj