designing a tms320f280x based digitally controlled dc-dc switching power supply

7/31/2019 Designing a TMS320F280x Based Digitally Controlled DC-DC Switching Power Supply

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A p p l i c a t i o n R e p o r t S P R A A B 3 J u l y 2 0 0 5

D e s i g n i n g a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x B a s e d D i g i t a l l y C o n t r o l l e d

D C - D C S w i t c h i n g P o w e r S u p p l y S h a m i m C h o u d h u r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i g i t a l P o w e r , C 2 0 0 0 D S P a n d S y s t e m P o w e r M a n a g e m e n t

A B S T R A C T

T h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t p r e s e n t s a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x b a s e d d i g i t a l c o n t r o l d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a h i g h f r e q u e n c y d c - d c s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y . S t a r t i n g w i t h a d c - d c b u c k c o n v e r t e r a n d a g i v e n s e t o f p e r f o r m a n c e s p e c i f i c a t i o n s , d i f f e r e n t c o n t r o l b l o c k s a n d p a r a m e t e r s , u s e d a s i n t h e a n a l o g c o n t r o l d e s i g n a p p r o a c h , a r e r e v i e w e d p r i o r t o t h e c o n t r o l d e s i g n i n d i g i t a l d o m a i n . T h e c o n t r o l l o o p i s t h e n a n a l y z e d a n d t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r s a r e d e s i g n e d u s i n g d i f f e r e n t c o n t r o l d e s i g n a p p r o a c h e s . C o d e e x a m p l e s a r e p r o v i d e d i l l u s t r a t i n g t h e c o n t r o l l e r i m p l e m e n t a t i o n u s i n g T M S 3 2 0 F 2 8 0 x D S P c o n t r o l l e r . M A T L A B b a s e d d i g i t a l c o n t r o l d e s i g n a p p r o a c h e s p r e s e n t e d h e r e a r e f i n a l l y v a l i d a t e d w i t h m u l t i p l e t e s t r e s u l t s f r o m a p r o t o t y p e c o n v e r t e r .

C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 D i g i t a l C o n t r o l I m p l e m e n t a t i o n f o r D C - D C C o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 44 R e f e r e n c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

L i s t o f F i g u r e s

1 D S P b a s e d D i g i t a l C o n t r o l o f D C - D C C o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p S a m p l i n g S c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 D C - D C C o n v e r t e r C o n t r o l L o o p B l o c k D i a g r a m i n s - d o m a i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 D C - D C C o n v e r t e r C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p ( s ) * G c 1 ( s ) * K d * F m ( M A T L A B ) . . . . . . . . . . . . . 55 D C - D C C o n v e r t e r L o a d T r a n s i e n t R e s p o n s e ( l o o p g a i n = G p * G c 1 * F m * K d ) . . . . . . . . . . . . . . . 66 D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B l o c k D i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 S a m p l e a n d H o l d P r o c e s s i n a D i g i t a l S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 1 * G c 2 ( M A T L A B ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 2 * G c 2 ( M A T L A B ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 0 D C - D C C o n v e r t e r C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 2 * G c 2 ( T e s t r e s u l t f r o m p r o t o t y p e

h / w ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 01 1 D C - D C C o n v e r t e r L o a d T r a n s i e n t R e s p o n s e ( L o o p g a i n = G p 2 * G c 2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 11 2 D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 3 * G c 2 ( M A T L A B ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 21 3 D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 3 * G c 3 ( M A T L A B )

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

1 4 D C - D C C o n v e r t e r L o a d T r a n s i e n t R e s p o n s e ( L o o p g a i n = G p 3 * G c 3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 31 5 D C - D C C o n v e r t e r L o a d T r a n s i e n t R e s p o n s e ( L o o p g a i n = G p 3 * G c 3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

S P R A A B 3 J u l y 2 0 0 5 D e s i g n i n g a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x B a s e d D i g i t a l l y C o n t r o l l e d D C - D C S w i t c h i n g P o w e r S u p p l y 1


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1 I n t r o d u c t i o n

2 D i g i t a l C o n t r o l I m p l e m e n t a t i o n f o r D C - D C C o n v e r t e r

Vin

Iin

Gate

Drive

Q1

Gp

PWM1d

C

RC

RL

Gc(z)

Signal

Conditioning

A/D

Kd

Vref

U E

Vout

TMS320F280x

Vos

Vo

L

I n t r o d u c t i o n

D i g i t a l c o n t r o l o f s w i t c h i n g p o w e r s u p p l i e s i s b e c o m i n g m o r e a n d m o r e c o m m o n i n i n d u s t r y t o d a y b e c a u s e o f t h e a v a i l a b i l i t y o f l o w c o s t , h i g h p e r f o r m a n c e D S P c o n t r o l l e r w i t h e n h a n c e d a n d i n t e g r a t e d p o w e r e l e c t r o n i c p e r i p h e r a l s s u c h a s a n a l o g - t o - d i g i t a l ( A / D ) c o n v e r t e r s a n d p u l s e w i d t h m o d u l a t o r ( P W M ) .

D S P b a s e d d i g i t a l c o n t r o l a l l o w s f o r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f m o r e f u n c t i o n a l c o n t r o l s c h e m e s , s t a n d a r d

c o n t r o l h a r d w a r e d e s i g n f o r m u l t i p l e p l a t f o r m s a n d f l e x i b i l i t y o f q u i c k d e s i g n m o d i f i c a t i o n s t o m e e t s p e c i f i c c u s t o m e r n e e d s . D i g i t a l c o n t r o l l e r s a r e l e s s s u s c e p t i b l e t o a g i n g a n d e n v i r o n m e n t a l v a r i a t i o n s a n d h a v e b e t t e r n o i s e i m m u n i t y . M o d e r n 3 2 - b i t D S P c o n t r o l l e r s , s u c h a s T M S 3 2 0 F 2 8 0 x , w i t h p r o c e s s o r s p e e d u p t o 1 0 0 M H z a n d e n h a n c e d p e r i p h e r a l s s u c h a s , h i g h r e s o l u t i o n P W M m o d u l e , 1 2 - b i t A / D c o n v e r t e r w i t h c o n v e r s i o n s p e e d u p t o 1 6 0 n S e c , 3 2 x 3 2 - b i t m u l t i p l i e r , 3 2 - b i t t i m e r s a n d r e a l - t i m e c o d e d e b u g g i n g c a p a b i l i t y , g i v e s t h e p o w e r s u p p l y d e s i g n e r s a l l t h e b e n e f i t s o f d i g i t a l c o n t r o l a n d a l l o w s i m p l e m e n t a t i o n o f h i g h b a n d w i d t h , h i g h f r e q u e n c y p o w e r s u p p l i e s w i t h o u t s a c r i f i c i n g p e r f o r m a n c e [ 1 - 4 ] . T h e e x t r a c o m p u t i n g p o w e r o f s u c h p r o c e s s o r s a l s o a l l o w s i m p l e m e n t a t i o n o f s o p h i s t i c a t e d n o n l i n e a r c o n t r o l a l g o r i t h m s , i n t e g r a t e m u l t i p l e c o n v e r t e r c o n t r o l i n t o t h e s a m e p r o c e s s o r a n d o p t i m i z e t h e t o t a l s y s t e m c o s t . H o w e v e r , t h e p o w e r s u p p l y e n g i n e e r s , m o s t l y f a m i l i a r w i t h a n a l o g c o n t r o l d e s i g n , a r e f a c e d w i t h n e w c h a l l e n g e s a s t h e y s t a r t t o a d o p t t h e s e d i g i t a l c o n t r o l t e c h n i q u e s i n t h e i r d e s i g n s .

S i n c e D S P s j u s t s t a r t e d t o g a i n s o m e s e r i o u s c o n s i d e r a t i o n s i n c o n t r o l l i n g p o w e r s u p p l i e s , m a n y p e r t i n e n t f a c t o r s i n t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a d i g i t a l c o n t r o l l o o p n e e d t o b e a d d r e s s e d . A c c u r a t e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e c o n t r o l b l o c k s a n d t h e a s s o c i a t e d c o n t r o l p a r a m e t e r s i s c r i t i c a l f o r t h e a n a l o g

d e s i g n e r s i n o r d e r t o e n a b l e t h e m t o i m p l e m e n t t h e D S P b a s e d d i g i t a l c o n t r o l t e c h n i q u e s u s i n g t h e w e l l - k n o w n a n a l o g c o n t r o l d e s i g n a p p r o a c h e s . T h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t , t h e r e f o r e , d e s c r i b e s a s t e p - b y - s t e p D S P b a s e d d i g i t a l c o n t r o l d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a h i g h f r e q u e n c y d c - d c c o n v e r t e r . S t a r t i n g w i t h a d c - d c b u c k c o n v e r t e r a n d a g i v e n s e t o f p e r f o r m a n c e s p e c i f i c a t i o n , i t d i s c u s s e s d i f f e r e n t c o n t r o l b l o c k s , d i f f e r e n t c o n t r o l d e s i g n a p p r o a c h e s a n d h i g h l i g h t s t h e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n d e s i g n i n g c o n t r o l i n t h e d i g i t a l d o m a i n c o m p a r e d t o t h e a n a l o g a p p r o a c h . T w o a p p r o a c h e s t o t h e d i g i t a l c o n t r o l d e s i g n a r e i l l u s t r a t e d n a m e l y , t h e d e s i g n b y e m u l a t i o n a n d t h e d i r e c t d i g i t a l d e s i g n . T h e s e a r e f i r s t s h o w n i n M A T L A B a n d t h e n v e r i f i e d b y e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . I n t h i s p r o c e s s t h e e f f e c t s o f s a m p l i n g d e l a y a n d t h e c o m p u t a t i o n d e l a y a r e a l s o a n a l y z e d i n M A T L A B a n d t h e n v e r i f i e d e x p e r i m e n t a l l y . F i n a l l y t h e a s s e m b l y c o d e l i s t i n g s i m p l e m e n t i n g t h e d e s i g n e d c o n t r o l l e r s a r e p r o v i d e d i n o r d e r t o a i d t h e u s e r s q u i c k l y v a l i d a t e t h e s e c o n t r o l l e r s u s i n g a s i m i l a r D S P c o n t r o l l e d d c - d c c o n v e r t e r s e t u p .

F i g u r e 1 s h o w s a s i m p l i f i e d b l o c k d i a g r a m o f a d i g i t a l l y c o n t r o l l e d d c - d c c o n v e r t e r i n t e r f a c e d t o a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x D S P c o n t r o l l e r .

F i g u r e 1 . D S P b a s e d D i g i t a l C o n t r o l o f D C - D C C o n v e r t e r

D e s i g n i n g a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x B a s e d D i g i t a l l y C o n t r o l l e d D C - D C S w i t c h i n g P o w e r S u p p l y 2 S P R A A B 3 J u l y 2 0 0 5


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2 . 1 D i g i t a l S a m p l i n g L o o p I m p l e m e n t a t i o n

Code

Execution

Context Save

Context RestoreExecute Controller

Background loop

Spare

Interrupt Interrupt

ISR

T1

t

n+1Sampling Scheme 1

Td = 0.5Ts

Tadc Tadc

Update

Duty

StartADC

Write Compare

TSTS

TdUpdate

DutyTd

StartADC

Sampling period NN+1

PWM period n

Write Compare

D i g i t a l C o n t r o l I m p l e m e n t a t i o n f o r D C - D C C o n v e r t e r

A s i n d i c a t e d i n F i g u r e 1 , a s i n g l e s i g n a l m e a s u r e m e n t i s n e e d e d t o i m p l e m e n t t h e v o l t a g e m o d e c o n t r o l o f t h e d c - d c c o n v e r t e r . T h e i n s t a n t a n e o u s o u t p u t v o l t a g e V o u t i s s e n s e d a n d c o n d i t i o n e d b y t h e v o l t a g e s e n s e c i r c u i t a n d t h e n i n p u t t o t h e D S P v i a t h e A D C c h a n n e l . T h e d i g i t i z e d s e n s e d o u t p u t v o l t a g e V o i s c o m p a r e d t o t h e r e f e r e n c e V r e f . T h e v o l t a g e l o o p c o n t r o l l e r G c i s d e s i g n e d t o m a k e t h e o u t p u t v o l t a g e V o u t t r a c k t h e r e f e r e n c e V r e f a n d a t t h e s a m e t i m e a c h i e v e t h e d e s i r e d d y n a m i c p e r f o r m a n c e . T h e d i g i t i z e d o u t p u t U o f t h i s c o n t r o l l e r p r o v i d e s t h e d u t y r a t i o c o m m a n d f o r t h e b u c k r e g u l a t o r s w i t c h Q 1 . T h i s c o m m a n d o u t p u t i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e a p p r o p r i a t e v a l u e s f o r t h e t i m e r c o m p a r e r e g i s t e r s i n t h e o n - c h i p P W M m o d u l e . T h e P W M m o d u l e u s e s t h i s v a l u e t o g e n e r a t e t h e P W M o u t p u t , P W M 1 i n t h i s c a s e , t h a t f i n a l l y d r i v e s t h e b u c k c o n v e r t e r s w i t c h Q 1 .

F i g u r e 2 s h o w s o n e e x a m p l e o f a d i g i t a l s a m p l i n g s c h e m e u s i n g t h e D S P o n - c h i p p e r i p h e r a l s .

F i g u r e 2 . D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p S a m p l i n g S c h e m e

T h e s a m p l i n g s c h e m e a f f e c t s t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r d e s i g n a n d , t h e r e f o r e , n e e d s a p p r o p r i a t e a t t e n t i o n . P W M o u t p u t f r e q u e n c y i s s e t u p b y c o n f i g u r i n g o n e o f t h e o n - c h i p T i m e r s , T 1 i n t h i s c a s e . I n t h i s e x a m p l e , T 1 g e n e r a t e s a d u a l e d g e m o d u l a t e d ( s y m m e t r i c ) , 2 5 0 k H z P W M o u t p u t . T h e s e t i m e r s h a v e a s s o c i a t e d

c o m p a r e r e g i s t e r s w h i c h a r e u s e d t o w r i t e t h e c a l c u l a t e d d u t y r a t i o v a l u e s . T h e s e v a l u e s t h e n g e t c o m p a r e d w i t h t h e t i m e r c o u n t e r v a l u e i n o r d e r t o g e n e r a t e t h e P W M o u t p u t . T h e t i m e a t w h i c h a n e w l y w r i t t e n c o m p a r e v a l u e a f f e c t s t h e a c t u a l P W M o u t p u t d u t y r a t i o i s c o n t r o l l e d b y a s s o c i a t e d P W M c o n t r o l r e g i s t e r s . I n t h i s e x a m p l e , t h e P W M c o n t r o l r e g i s t e r s a r e s e t u p s u c h t h a t a n e w v a l u e w r i t t e n i n t h e c o m p a r e r e g i s t e r , c h a n g e s t h e a c t u a l P W M o u t p u t d u t y r a t i o a t t h e s t a r t o f t h e s u b s e q u e n t t i m e r ( T 1 ) p e r i o d . A l s o , t h e A D C c o n t r o l r e g i s t e r s a r e s e t u p s u c h t h a t t h e A D c o n v e r s i o n i s t r i g g e r e d a t t h e m i d d l e o f t h e O N p u l s e o f t h e P W M o u t p u t . A s s o o n a s t h e c o n v e r s i o n i s c o m p l e t e , t h e A D C m o d u l e i s s e t u p t o g e n e r a t e a n i n t e r r u p t . T h e t i m e d e l a y b e t w e e n t h e s t a r t o f A D c o n v e r s i o n a n d t h i s i n t e r r u p t i s s h o w n i n F i g u r e 2 , a s T a d c . T h i s t i m e i n c l u d e s t h e A D c o n v e r s i o n t i m e a n d t h e p r o c e s s o r i n t e r r u p t l a t e n c y . I n s i d e t h e i n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e ( I S R ) , t h e u s e r s o f t w a r e r e a d s t h e c o n v e r t e d v a l u e f r o m t h e A D C r e s u l t r e g i s t e r , i m p l e m e n t s t h e c o n t r o l l e r a n d t h e n w r i t e s t h e n e w P W M d u t y r a t i o v a l u e t o t h e a p p r o p r i a t e P W M c o m p a r e r e g i s t e r . H o w e v e r , t h i s n e w d u t y r a t i o v a l u e t a k e s a f f e c t a t t h e s t a r t o f t h e s u b s e q u e n t P W M c y c l e . F r o m F i g u r e 2 , i t i s c l e a r t h a t t h e t i m e d e l a y T d , b e t w e e n t h e A D C s a m p l i n g i n s t a n t a n d t h e P W M d u t y r a t i o u p d a t e , i s h a l f t h e P W M p e r i o d . I n t h i s c a s e , t h e P W M p e r i o d a n d t h e s a m p l i n g p e r i o d ( T s ) a r e

e q u a l a n d s o t h e c o m p u t a t i o n d e l a y i s , T d = T s / 2 . A l s o s h o w n i n F i g u r e 2 , t h e c a l c u l a t i o n o f a n e w d u t y r a t i o v a l u e i n s i d e t h e I S R i s c o m p l e t e d w e l l b e f o r e a s u b s e q u e n t i n t e r r u p t i s g e n e r a t e d . T h i s m e a n s t h a t , a t t h i s s a m p l i n g f r e q u e n c y , t h e p r o c e s s o r b a n d w i d t h ( 1 0 0 M H z ) a l l o w s f o r s u f f i c i e n t s p a r e t i m e t o e x t e n d t h e I S R a n d e x e c u t e m u l t i p l e c o n t r o l l e r s o r o t h e r t i m e c r i t i c a l t a s k s . S o m e o f t h i s s p a r e t i m e c a n a l s o b e u s e d f o r n o n - t i m e c r i t i c a l t a s k s b y r u n n i n g t h e m f r o m a b a c k g r o u n d l o o p .



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2 . 2 D C - D C C o n t r o l l e r D e s i g n

d

U

Gp(s)

E

Vo

Fm Kd

Vref

Gc(s)

U(n) E(n)Gc(z)

Vo

GP(S)+ VinsRCC)1

s2LC1) RCRL)sRCC) LR

L)1

+(3.24 10*5s) 5.0)

(1.685 10*9s2) 1.648 10*5s) 1.0)


T h e s y s t e m p a r a m e t e r s u s e d i n t h i s d e s i g n a r e :

V i n = 4 ~ 6 V , V o u t = 1 . 6 V , M a x o u t p u t c u r r e n t I o u t = 1 6 A , R L = V o u t / I o u t = 0 . 1 o h m ( M i n i m u m )

M a x i m u m o u t p u t v o l t a g e ( u s e d f o r A D C s i g n a l s c a l i n g ) V o m a x = 2 V

P W M f r e q u e n c y f p w m = 2 5 0 k H z ; V o l t a g e l o o p s a m p l i n g f r e q u e n c y f s = 2 5 0 k H z

O u t p u t f i l t e r c o m p o n e n t s , L = 1 . 0 u H , C = 1 6 2 0 u F , R C = 0 . 0 0 4 O h m D e s i r e d v o l t a g e l o o p b a n d w i d t h f c v = 2 0 k H z

P h a s e M a r g i n = 4 5 d e g , S e t t l i n g t i m e < 7 5 u S e c

I n o r d e r t o d e s i g n t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r , t w o a p p r o a c h e s a r e d i s c u s s e d . T h e s e a r e , 1 . D e s i g n b y E m u l a t i o n a n d 2 . D i r e c t D i g i t a l D e s i g n .

2 . 2 . 1 D e s i g n b y E m u l a t i o n

T h i s i s a l s o k n o w n a s D i g i t a l R e d e s i g n A p p r o a c h . I n t h i s m e t h o d , a n a n a l o g c o n t r o l l e r i s f i r s t d e s i g n e d i n t h e c o n t i n u o u s d o m a i n a s i f o n e w e r e b u i l d i n g c o n t i n u o u s t i m e c o n t r o l s y s t e m , b y i g n o r i n g t h e e f f e c t s o f s a m p l i n g a n d h o l d a s s o c i a t e d w i t h t h e A D c o n v e r t e r a n d t h e d i g i t a l P W M c i r c u i t s . T h e a n a l o g c o n t r o l l e r i s t h e n c o n v e r t e d t o a d i s c r e t e - t i m e c o m p e n s a t o r b y s o m e a p p r o x i m a t e t e c h n i q u e s . F i g u r e 3 r e p r e s e n t s a s i m p l i f i e d b l o c k d i a g r a m o f t h e s y s t e m i n F i g u r e 1 . I t s h o w s a l l t h e d i f f e r e n t c o m p o n e n t s o f t h i s c l o s e d l o o p

c o n t r o l s y s t e m i n s - d o m a i n .

F i g u r e 3 . D C - D C C o n v e r t e r C o n t r o l L o o p B l o c k D i a g r a m i n s - d o m a i n

T h e s m a l l s i g n a l p o w e r s t a g e m o d e l o f t h e b u c k c o n v e r t e r i n s - d o m a i n i s i n d i c a t e d a s G p ( s ) . F o r t h e g i v e n s y s t e m p a r a m e t e r s w i t h V i n = 5 . 0 V a n d R L = 0 . 1 o h m , t h i s i s d e r i v e d a s ,

I f t h e m a x i m u m o u t p u t v o l t a g e i s V o m a x , t h e n t h e v o l t a g e f e e d b a c k f a c t o r i s , K d = 1 / V o m a x , p r o v i d e d t h a t t h e d i g i t a l o u t p u t v o l t a g e V o i s r e p r e s e n t e d i n Q 3 1 f i x e d - p o i n t f o r m a t f o r t h i s 3 2 - b i t D S P c o n t r o l l e r [ 6 ] . T h e P W M m o d u l a t o r g a i n i s F m = 1 . T h i s i s s o b e c a u s e t h e u s e r s o f t w a r e t o g e t h e r w i t h t h e o n - c h i p P W M h a r d w a r e c a n b e c o n f i g u r e d s u c h t h a t a s t h e c o n t r o l l e r o u t p u t U ( i n Q 3 1 ) v a r i e s b e t w e e n 0 ~ 7 F F F F F F F h , t h e P W M o u t p u t d u t y r a t i o d v a r i e s b e t w e e n 0 ~ 1 , [ 6 ] .

N o w f o r t h i s p l a n t G p ( s ) , a s u i t a b l e a n a l o g c o n t r o l l e r G c ( s ) i s d e s i g n e d i n M A T L A B u s i n g t h e a v a i l a b l e c o n t r o l d e s i g n t o o l c a l l e d s i s o t o o l . T h e B o d e p l o t f o r t h i s d e s i g n i s s h o w n i n F i g u r e 4 w h e r e t h e s y s t e m b a n d w i d t h ( B W ) i s s e t a t 2 5 k H z w i t h a p h a s e m a r g i n ( P M ) o f 7 1 d e g .



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GC1(s)+(14.3s2) 6.514 105s) 7.2 109)

s(s) 1.256 105)

Gc1_s + tf14.3 6.514e005 7.2e009, [1 1.256e005 0]; %Controller in sdomain%Gc1_z + c2d(Gc1_s, Ts, matched); % Digital Controller %

GC1(z)+ UE+ 12.34* 22.53z

*1

) 10.28z12

1* 1.605z*1)0.6051z*2

U(n)+ 1.605U(n* 1)* 0.605U(n* 2))12.34E(n)* 22.53E(n* 1))10.28E(n* 2)


F i g u r e 4 . D C - D C C o n v e r t e r C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p ( s ) * G c 1 ( s ) * K d * F m ( M A T L A B )

T h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l l e r G c 1 ( s ) c a n b e e a s i l y i m p o r t e d f r o m t h e M A T L A B c o n t r o l d e s i g n t o o l b o x . T h i s i s f o u n d a s ,

T h i s a n a l o g c o n t r o l l e r G c 1 ( s ) c a n b e d i s c r e t i z e d b y a n y o f t h e c o m m o n l y u s e d d i s c r e t i z a t i o n m e t h o d s s u c h a s , B i l i n e a r , P o l e - Z e r o m a t c h a n d F o r w a r d e t c . [ 5 , 9 ] . T h i s c a n b e p e r f o r m e d i n M A T L A B s i m p l y b y w r i t i n g t h e M A T L A B s c r i p t a s :

T h i s g e n e r a t e s t h e f o l l o w i n g d i g i t a l c o n t r o l l e r G c 1 ( z ) :

w h e r e , t h e s a m p l i n g t i m e i s T s = 1 / f s = 4 u S e c . I n d i s c r e t e f o r m , t h i s c o n t r o l l e r i s w r i t t e n a s ,

w h e r e , U i s t h e c o n t r o l o u t p u t a n d E i s t h e e r r o r v o l t a g e . T h e q u a n t i t i e s w i t h ( n ) d e n o t e t h e s a m p l e d v a l u e s f o r t h e c u r r e n t s a m p l i n g c y c l e , t h e q u a n t i t i e s w i t h ( n - 1 ) d e n o t e o n e s a m p l e o l d v a l u e s a n d s o o n .



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T h i s c o n t r o l l e r w a s i m p l e m e n t e d u s i n g t h e T M S 3 2 0 F 2 8 0 x D S P i n s t r u c t i o n s e t . D u r i n g t h e c o d e i n i t i a l i z a t i o n t h e c o e f f i c i e n t s o f t h e a b o v e c o n t r o l l e r a r e f i r s t c o n v e r t e d t o a s u i t a b l e f i x e d p o i n t f o r m a t ( Q f o r m a t ) i n o r d e r t o g e t t h e b e s t a c c u r a c y o u t o f t h i s 3 2 - b i t p r o c e s s o r . A n e x a m p l e c o d e l i s t i n g i s g i v e n i n t h e z i p f i l e f o r a s i m i l a r c o n t r o l l e r . T h e f i x e d p o i n t f o r m a t u s e d f o r t h e c o n t r o l l e r c o e f f i c i e n t s i n t h i s c o d e e x a m p l e i s Q 2 6 .

O n c e t h e c o n t r o l l e r w a s i m p l e m e n t e d i n t h e D S P , i t s c l o s e d l o o p d y n a m i c p e r f o r m a n c e w a s t e s t e d o n a

p r o t o t y p e d c - d c c o n v e r t e r . T h i s t r a n s i e n t l o a d r e s p o n s e i s s h o w n i n F i g u r e 5 :

F i g u r e 5 . D C - D C C o n v e r t e r L o a d T r a n s i e n t R e s p o n s e ( l o o p g a i n = G p * G c 1 * F m * K d )

F o r a s t e p l o a d c h a n g e o f 1 5 A , t h e o u t p u t v o l t a g e s e t t l e s w i t h i n 3 0 u S e c ( 1 % b a n d ) . T h e c o n v e r t e r h a s a s a t i s f a c t o r y t i m e r e s p o n s e . H o w e v e r , t h e d a m p i n g o f t h e t r a n s i e n t r e s p o n s e d o e s n o t r e f l e c t a p h a s e m a r g i n o f 7 1 d e g a s s h o w n i n M A T L A B B o d e p l o t ( s e e F i g u r e 4 ) . T h i s d i f f e r e n c e i n t h e d e s i g n e d a n d a c t u a l p h a s e m a r g i n i s b e c a u s e o f t h e f a c t t h a t w e c o m p l e t e l y i g n o r e d t h e e f f e c t o f s a m p l i n g a n d h o l d a n d t h e c o m p u t a t i o n d e l a y . I n d i g i t a l c o n t r o l d e s i g n t h e e f f e c t o f t h e s e d e l a y s c a n b e t a k e n i n t o a c c o u n t p r i o r

t o t h e c o n t r o l d e s i g n t h a t r e s u l t s i n a m o r e p r e d i c t a b l e a n d a c c u r a t e d y n a m i c p e r f o r m a n c e . T h i s i s i l l u s t r a t e d n e x t .



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d

U(n)

Gp(s)

E(n)Vref

ZOH Kd

Gc(z)

Hc Ts

+

Vout

Gp(z)

Vo(n)

Ts

Time DelayTS2

ZOH+* wTs2 +* 180ffs

SH(s)+(1* e*STs)

s


2 . 2 . 2 D i r e c t D i g i t a l D e s i g n

F i g u r e 1 i s n o w d r a w n a s i n F i g u r e 6 t o s h o w a l l t h e d i f f e r e n t c o m p o n e n t s o f t h i s c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m i n c l u d i n g t h e e f f e c t o f s a m p l i n g a n d h o l d .

F i g u r e 6 . D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B l o c k D i a g r a m

T h e s a m p l i n g p r o c e s s b y t h e o n - c h i p A D C i s r e p r e s e n t e d b y a n i d e a l s a m p l e r w i t h t i m e p e r i o d T s . A D C c a n b e r e p r e s e n t e d t h i s w a y a s c o m p a r e d t o t h e m o d e l g i v e n i n [ 7 ] , s i n c e t h e A D C g a i n i s t a k e n i n t o

a c c o u n t i n t h e b l o c k l a b e l e d K d a n d A D C c o n v e r s i o n t i m e i s i n c l u d e d i n t h e c o m p u t a t i o n d e l a y b l o c k l a b e l e d H c . T h e o n - c h i p P W M m o d u l e a c t s a s a h o l d d e v i c e . R e p r e s e n t i n g t h i s a s a z e r o - o r d e r - h o l d ( Z O H ) , t h e A D C a n d t h e P W M m o d u l e t o g e t h e r f o r m a s a m p l i n g a n d h o l d d e v i c e . T h e e f f e c t o f s u c h s a m p l e a n d h o l d a c t i o n i s t o i n t r o d u c e a t i m e d e l a y o f T s / 2 o r a p h a s e l a g o f T s / 2 a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 7 . H e r e a s i g n a l i s s a m p l e d a t t i m e i n t e r v a l o f T s a n d t h e n r e c o n s t r u c t e d t h r o u g h Z O H . T h e r e c o n s t r u c t e d s i g n a l i s f o u n d t o l a g t h e o r i g i n a l s i g n a l b y T s / 2 r a d i a n o r 1 8 0 f / f s d e g r e e .

F i g u r e 7 . S a m p l e a n d H o l d P r o c e s s i n a D i g i t a l S y s t e m

T h e s - d o m a i n t r a n s f e r f u n c t i o n o f s u c h a d e v i c e c a n b e e x p r e s s e d a s [ 9 ] ,

T h u s w e s e e t h a t t h e e f f e c t o f t h e s a m p l i n g a n d h o l d p r o c e s s i n a d i g i t a l l y c o n t r o l l e d p o w e r s u p p l y i s t h a t i t i n t r o d u c e s a n a d d i t i o n a l p h a s e d e l a y o f 1 8 0 f / f s d e g r e e c o m p a r e d t o a n e q u i v a l e n t a n a l o g c o n t r o l l e d p o w e r s u p p l y . H e r e , f i s t h e f r e q u e n c y o f i n t e r e s t , i . e . t h e b a n d w i d t h , w h e r e t h e p h a s e i s c a l c u l a t e d . S o , f o r t h e B o d e p l o t s h o w n i n F i g u r e 4 , w h e r e w e i g n o r e d t h e e f f e c t o f s a m p l i n g a n d h o l d , t h e a c t u a l p h a s e m a r g i n i s a t l e a s t r e d u c e d b y 1 8 d e g r e e ( = 1 8 0 x 2 5 k H z / 2 5 0 k H z ) . T h i s m e a n s t h a t t h i s s y s t e m c a n h a v e a P M o f a t m o s t 5 3 d e g r e e ( = 7 1 - 1 8 ) . I n r e a l i t y t h i s w i l l b e f u r t h e r r e d u c e d b y t h e c o m p u t a t i o n d e l a y a s s o c i a t e d w i t h a n y d i g i t a l s y s t e m . T h i s e x p l a i n s t h e r e a s o n f o r t h e u n d e r - d a m p e d r e s p o n s e o f t h i s s y s t e m a s s h o w n i n F i g u r e 5 . T h e c o m p u t a t i o n d e l a y b l o c k H c , m o d e l s t h e t i m e d e l a y b e t w e e n t h e A D C s a m p l i n g i n s t a n t a n d t h e s u b s e q u e n t P W M d u t y r a t i o u p d a t e . T h i s t i m e d e l a y i s d e n o t e d b y T d a n d t h e t r a n s f e r f u n c t i o n f o r H c i s ,



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HC(s)+ e*STd

GP(z) + Z1s 1* e*STs.HC(s).GP(s).Kd

GP1(Z)+ 0.0494(z* 0.5283)

(z2* 1.952z) 0.962)

Discrete System Bode Plot

Gp1(z)*Gc2(z)

(Td = 0)

BW = 27.9kHz, PM = 61.6 deg, GM = 9dB

GC2(z)+UE+

14.87* 26.91z*1) 12.16z*2

1* 1.473z*1) 0.473z*2


I n d i r e c t d i g i t a l d e s i g n a p p r o a c h , t h e c o n t i n u o u s t i m e p o w e r s t a g e m o d e l i s f i r s t d i s c r e t i z e d w i t h Z O H a n d t h e s a m p l e r . O n c e t h i s i s a v a i l a b l e , t h e d i s c r e t e - t i m e c o m p e n s a t o r . i . e . , a d i g i t a l c o n t r o l l e r G c ( z ) i s d e s i g n e d d i r e c t l y i n t h e z - d o m a i n u s i n g m e t h o d s s i m i l a r t o t h e c o n t i n u o u s - t i m e f r e q u e n c y r e s p o n s e m e t h o d s . T h i s h a s t h e a d v a n t a g e t h a t t h e p o l e s a n d z e r o s o f t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r s a r e l o c a t e d d i r e c t l y , r e s u l t i n g i n a b e t t e r l o a d t r a n s i e n t r e s p o n s e , a s w e l l a s b e t t e r p h a s e m a r g i n a n d b a n d w i d t h f o r t h e c l o s e d

l o o p p o w e r c o n v e r t e r . T h e d i s c r e t e - t i m e t r a n s f e r f u n c t i o n G p ( z ) o f t h e c o n v e r t e r p l a n t , i n c l u d i n g t h e Z O H , t h e s a m p l e r , t h e v o l t a g e s e n s i n g g a i n K d a n d t h e c o m p u t a t i o n d e l a y m o d e l H c i s [ 8 ] ,

w h e r e , Z d e n o t e s t h e z - t r a n s f o r m o f t h e f u n c t i o n i n s i d e t h e p a r e n t h e s i s { } . T h i s c a n b e c o m p u t e d i n M A T L A B b y w r i t i n g t h e M A T L A B s c r i p t a s :

V i n = 5 . 0 ; V o = 1 . 6 ; I o = 1 6 ; K d = 0 . 5 ; L = 1 e - 6 ; C = 1 6 2 0 e - 6 ; R c = 4 e - 3 ; R L = V o / I o ; T s = 4 . 0 e - 6 ; T d = 0 . 0 * T s ; n u m _ G p s = V i n * [ R c * C 1 ] ; d e n o m _ G p s = [ L * C * ( 1 + R c / R L ) ( L / R L + R c * C ) 1 ] ; G p s _ d l y = t f ( n u m _ G p s , d e n o m _ G p s , ' i n p u t d e l a y ' , T d ) ; % s - d o m a i n p l a n t w i t h c o m p u t a t i o n d e l a y T d % G p z = c 2 d ( G p s _ d l y * K d , T s , ' z o h ' ) ; % D i s c r e t e p l a n t w i t h Z O H , K d a n d T d %

T h e r e s u l t i n g d i s c r e t e p l a n t o b t a i n e d f r o m M A T L A B i s ,

W h e r e K d = 1 / V o m a x = , T s = 1 / f s = 4 u S e c a n d t h e c o m p u t a t i o n d e l a y T d , f o r n o w , i s t a k e n a s T d = 0 , i . e . , H c = 1 .

F i g u r e 8 . D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 1 * G c 2 ( M A T L A B )

F o r t h i s p l a n t G P 1 , a s u i t a b l e d i g i t a l c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d i n M A T L A B u s i n g t h e s i s o t o o l . T h e s y s t e m b a n d w i d t h i s s e t a t 2 7 . 9 k H z w i t h a p h a s e m a r g i n o f 6 1 . 6 d e g . T h e B o d e p l o t i s s h o w n i n F i g u r e 8 . T h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l l e r G C 2 i s d e r i v e d f r o m M A T L A B a s ,



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U(n)+ 1.473U(n* 1)* 0.4731U(n* 2)) 14.87E(n)* 26.91E(n* 1)) 12.16E(n* 2)

GP2(z)+(0.022z2) 0.017z* 0.0158)

z(z2* 1.952z) 0.962)

HC+ wTd+ (360f)(0.5Ts)[ 20deg

Gp2(z)*Gc2(z)


I n d i s c r e t e f o r m , t h i s c o n t r o l l e r i s w r i t t e n a s ,

T h i s c o n t r o l l e r w a s i m p l e m e n t e d u s i n g t h e T M S 3 2 0 F 2 8 0 x D S P i n s t r u c t i o n s e t . T h e c o r r e s p o n d i n g c o d e l i s t i n g i s g i v e n i n t h e z i p f i l e a s s o c i a t e d w i t h t h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t . T h e f i x e d p o i n t f o r m a t u s e d f o r t h e s e c o n t r o l l e r c o e f f i c i e n t s i s Q 2 6 .

C a s e 1 : C o m p u t a t i o n D e l a y T d = 0 . 5 T s F o r t h e c o n t r o l l e r j u s t d e s i g n e d w e a s s u m e d T d = 0 , w h i c h i s n o t t h e c a s e i f w e i m p l e m e n t t h i s c o n t r o l l e r u s i n g t h e s a m p l i n g s c h e m e s h o w n i n F i g u r e 2 . S o , w e r e c a l c u l a t e G p ( z ) f o r T = 0 . 5 T s t o i n c l u d e t h e e f f e c t o f t h e s a m p l i n g s c h e m e s h o w n i n F i g u r e 2 . T h u s , b y s e t t i n g T d = 0 . 5 T s i n t h e M A T L A B s c r i p t s h o w n b e f o r e , t h e m o d i f i e d p l a n t m o d e l i s o b t a i n e d a s ,

T h e c o r r e s p o n d i n g B o d e p l o t f o r t h i s p l a n t G p 2 ( z ) w i t h t h e c o n t r o l l e r G c 2 ( z ) i s s h o w n i n F i g u r e 9 . F r o m t h e t w o p l o t s o f G p 1 * G c 2 a n d G p 2 * G c 2 , i t i s c l e a r t h a t t h e s a m e c o n t r o l l e r G c 2 r e s u l t s i n a p h a s e m a r g i n r e d u c t i o n b y 2 0 . 6 d e g ( = 6 1 . 6 - 4 1 . 0 ) f o r t h e l a t t e r s y s t e m . T h i s r e d u c t i o n i n p h a s e m a r g i n c a n b e a c c o u n t e d f o r b y t h e c o m p u t a t i o n t i m e d e l a y o f T d = 0 . 5 T s a s s o c i a t e d w i t h G p 2 . T h i s t i m e d e l a y t r a n s l a t e s t o a p h a s e l a g o f ,

w h e r e , T s = 4 u S , a n d f 2 7 k H z i s t h e c r o s s - o v e r f r e q u e n c y a t w h i c h t h e p h a s e l a g i s c a l c u l a t e d .

F i g u r e 9 . D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 2 * G c 2 ( M A T L A B )



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T h e a c t u a l s y s t e m B o d e p l o t f o r t h e d i g i t a l l y c o n t r o l l e d d c - d c c o n v e r t e r r e p r e s e n t e d b y t h e p l a n t m o d e l G p 2 ( z ) a n d c o n t r o l l e d b y t h e c o n t r o l l e r G c 2 ( z ) i s s h o w n i n F i g u r e 1 0 . N o t i c e t h a t t h e f r e q u e n c y d o m a i n p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ( b a n d w i d t h , p h a s e m a r g i n a n d g a i n m a r g i n ) a g r e e q u i t e w e l l b e t w e e n t h e a c t u a l a n d t h e d e s i g n e d v a l u e s . T h e t i m e d o m a i n d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f t h e c o n v e r t e r i s s h o w n i n F i g u r e 1 1 .F o r a s t e p l o a d c h a n g e o f 1 5 A , t h e o u t p u t v o l t a g e s e t t l e s w i t h i n 2 8 u S e c ( 1 % b a n d ) . T h e s e t e s t r e s u l t s o n t h e f r e q u e n c y a n d t i m e d o m a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d i g i t a l l y c o n t r o l l e d c o n v e r t e r s h o w t h e v a l i d i t y o f t h e M A T L A B b a s e d d e s i g n a p p r o a c h a s i l l u s t r a t e d b y F i g u r e 8 a n d F i g u r e 9 a b o v e .

F i g u r e 1 0 . D C - D C C o n v e r t e r C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 2 * G c 2 ( T e s t r e s u l t f r o m p r o t o t y p e h / w )

D e s i g n i n g a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x B a s e d D i g i t a l l y C o n t r o l l e d D C - D C S w i t c h i n g P o w e r S u p p l y 1 0 S P R A A B 3 J u l y 2 0 0 5


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GP3(z)+(0.022z2) 0.017z* 0.0159)

z2(z2* 1.954z) 0.963)


F i g u r e 1 1 . D C - D C C o n v e r t e r L o a d T r a n s i e n t R e s p o n s e ( L o o p g a i n = G p 2 * G c 2 )

C a s e 2 : C o m p u t a t i o n D e l a y T d = 2 . 0 T s

T h e s a m p l i n g s c h e m e s h o w n F i g u r e 2 c a n b e m o d i f i e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f a m o r e s e v e r e c o m p u t a t i o n d e l a y o f T d = 2 . 0 T s . T h i s i s e a s i l y d o n e i n s o f t w a r e b y c h a n g i n g t h e i n t e r r u p t s c h e m e a n d t h e w a y t h e a c t u a l P W M d u t y r a t i o i s u p d a t e d f o l l o w i n g a n e w A D c o n v e r s i o n o f t h e o u t p u t v o l t a g e . O n c e t h i s i s d o n e i n s o f t w a r e , t h e n e w p l a n t m o d e l G p 3 , f o r T d = 2 T s , i s c o m p u t e d u s i n g M A T L A B a s ,

T h e c o r r e s p o n d i n g B o d e p l o t f o r t h i s p l a n t G p 3 ( z ) w i t h t h e c o n t r o l l e r G c 2 ( z ) i s s h o w n i n F i g u r e 1 2 .

S P R A A B 3 J u l y 2 0 0 5 D e s i g n i n g a T M S 3 2 0 F 2 8 0 x B a s e d D i g i t a l l y C o n t r o l l e d D C - D C S w i t c h i n g P o w e r S u p p l y 1 1


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HC+ wTd + (360 f)(2.0Ts)[ 80deg

GC3(z)+UE+

14.4* 31.1z*1) 20.1z*2* 3.376z*3

1* 1.235z*1) 0.2362z*2* 0.00115z*3

U(n)+ 1.235U(n* 1)* 0.2362U(n* 2)) 0.00115U(n* 3)

) 14.4E(n)* 31.1E(n* 1)) 20.1E(n* 2)* 3.376E(n* 3)


F i g u r e 1 2 . D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 3 * G c 2 ( M A T L A B )

F r o m t h e p l o t o f F i g u r e 1 2 i t i s c l e a r t h a t t h i s s y s t e m i s c o m p l e t e l y u n s t a b l e w h e n c o n t r o l l e d b y t h e c o n t r o l l e r G c 2 . C o m p a r i n g t h e p l o t s o f G p 1 * G c 2 a n d G p 3 * G c 2 w e n o t e t h a t t h e c o n t r o l l e r G c 2 r e s u l t s i n a p h a s e m a r g i n r e d u c t i o n b y 8 0 . 6 d e g [ = 6 1 . 6 - ( - 1 9 . 0 ) ] f o r t h e l a t t e r s y s t e m . T h i s r e d u c t i o n i n p h a s e m a r g i n i s a g a i n a c c o u n t e d f o r b y t h e c o m p u t a t i o n t i m e d e l a y o f T d = 2 . 0 T s a s s o c i a t e d w i t h G p 3 . T h i s t i m e d e l a y t r a n s l a t e s t o a p h a s e l a g o f ,

w h e r e , T s = 4 u S , a n d f 2 7 k H z i s t h e l o o p c r o s s - o v e r f r e q u e n c y a t w h i c h t h e p h a s e l a g i s c a l c u l a t e d . I n o r d e r t o f i n d a s t a b l e c o n t r o l l e r f o r G p 3 , w e n o t e t h a t t h i s p l a n t h a s 4 - p o l e s a n d 2 z e r o s a n d , t h e r e f o r e , t h e 2 - p o l e 2 - z e r o c o n t r o l l e r G c 2 c a n n o t s t a b i l i z e t h e s y s t e m . S o , u s i n g M A T L A B a n e w 3 - p o l e 3 - z e r o c o n t r o l l e r G c 3 i s d e s i g n e d a s ,

T h e c o r r e s p o n d i n g B o d e p l o t f o r t h i s p l a n t G p 3 ( z ) w i t h t h e n e w c o n t r o l l e r G c 3 ( z ) i s s h o w n i n F i g u r e 1 3 .

T h e a c t u a l s y s t e m B o d e p l o t f o r t h e d c - d c c o n v e r t e r r e p r e s e n t e d b y t h i s p l a n t m o d e l G p 3 ( z ) a n d c o n t r o l l e d b y t h e r e d e s i g n e d c o n t r o l l e r G c 3 ( z ) i s s h o w n i n F i g u r e 1 4 . I t i s a g a i n c l e a r t h a t t h e f r e q u e n c y d o m a i n c h a r a c t e r i s t i c s m a t c h v e r y c l o s e l y b e t w e e n t h e a c t u a l a n d t h e d e s i g n e d v a l u e s .



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Gp3(z)*Gc3(z)

BW = 15.28kHz, PM = 41.76 deg, GM = 3.4dB


F i g u r e 1 3 . D C - D C C o n v e r t e r D i g i t a l C o n t r o l L o o p B o d e P l o t G p 3 * G c 3 ( M A T L A B )




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3 C o n c l u s i o n

C o n c l u s i o n

F i g u r e 1 5 s h o w s t h e c o n v e r t e r o u t p u t v o l t a g e t r a n s i e n t r e s p o n s e w i t h t h i s c o n t r o l l e r . F o r a s t e p l o a d c h a n g e o f 1 5 A , t h e o u t p u t v o l t a g e s e t t l e s w i t h i n 5 0 u S e c ( 1 % b a n d ) . T h e s e t e s t r e s u l t s a g a i n s h o w t h e v a l i d i t y o f t h e M A T L A B b a s e d d e s i g n a p p r o a c h a s d e p i c t e d i n F i g u r e 1 2 a n d F i g u r e 1 3 a b o v e .


D S P b a s e d d i g i t a l c o n t r o l d e s i g n m e t h o d s f o r h i g h f r e q u e n c y d c - d c b u c k c o n v e r t e r i s i n v e s t i g a t e d u s i n g M A T L A B b a s e d c o n t r o l d e s i g n t o o l s . S t a r t i n g w i t h a b u c k c o n v e r t e r i n t e r f a c e d t o a D S P c o n t r o l l e r , d i f f e r e n t c o n t r o l b l o c k s a n d a s s o c i a t e d p a r a m e t e r s a r e i d e n t i f i e d p r i o r t o t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r d e s i g n . T w o a p p r o a c h e s t o t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r d e s i g n a r e p r e s e n t e d . T h e f i r s t m e t h o d , n a m e l y d e s i g n b y e m u l a t i o n , a l l o w s t h e p o w e r s u p p l y d e s i g n e r s t o d o t h e c o n t r o l d e s i g n i n t h e f a m i l i a r s - d o m a i n a n d t h e n c o n v e r t i t t o a d i s c r e t e / d i g i t a l c o n t r o l l e r . T h e s e c o n d a p p r o a c h k n o w n a s d i r e c t d i g i t a l d e s i g n , i l l u s t r a t e s d i g i t a l c o n t r o l l e r d e s i g n d i r e c t l y i n z - d o m a i n . I t w a s f o u n d t h a t t h e l a t e r a p p r o a c h r e s u l t s i n a b e t t e r d y n a m i c p e r f o r m a n c e f o r t h e c l o s e d l o o p o p e r a t i o n o f t h e c o n v e r t e r . A l l o f t h e s e M A T L A B b a s e d d e s i g n e d c o n t r o l l e r s w e r e f i n a l l y v a l i d a t e d b y e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .



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4 R e f e r e n c e s

R e f e r e n c e s

1 . S . B i b i a n , H . J i n , D i g i t a l c o n t r o l w i t h i m p r o v e d p e r f o r m a n c e f o r b o o s t p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n c i r c u i t s A P E C , M a r c h 2 0 0 1 p p : 1 3 7 - 1 4 3

2 . J i n g h a i Z h o u , e t c . , N o v e l s a m p l i n g a l g o r i t h m f o r D S P c o n t r o l l e d 2 k W P F C c o n v e r t e r , P o w e r E l e c t r o n i c s , I E E E T r a n s a c t i o n s , M a r c h 2 0 0 1 , p p : 2 1 7 2 2 2

3 . P . Z u m e l , e t c . , C o n c u r r e n t a n d s i m p l e d i g i t a l c o n t r o l l e r o f a n A C / D C c o n v e r t e r w i t h p o w e r f a c t o r

c o r r e c t i o n , A P E C 2 0 0 2 , p p : 4 6 9 4 7 5 4 . W a n f e n g Z h a n g , e t c . , D S P i m p l e m e n t a t i o n o f p r e d i c t i v e c o n t r o l s t r a t e g y f o r p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ,

A P E C , F e b . 2 0 0 4 , p p : 6 7 - 7 3

5 . Y . D u a n , H . J i n , D i g i t a l c o n t r o l l e r d e s i g n f o r s w i t c h m o d e p o w e r c o n v e r t e r s , A P E C 9 9 , V o l u m e : 2 , p p : 9 6 7 9 7 3 .

6 . A v e r a g e C u r r e n t M o d e C o n t r o l l e d P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n C o n v e r t e r u s i n g T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 ( S P R A 9 0 2 A )

7 . P r o d i c , A . ; M a k s i m o v i c , D . ; E r i c k s o n , R . W . , D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a d i g i t a l P W M c o n t r o l l e r f o r a h i g h - f r e q u e n c y s w i t c h i n g D C - D C p o w e r c o n v e r t e r , I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s S o c i e t y , 2 0 0 1 . I E C O N 2 0 0 1 , V o l u m e : 2 , 2 9 N o v . - 2 D e c . 2 0 0 1 , p p : 8 9 3 - 8 9 8

8 . S . C h o u d h u r y , D S P I m p l e m e n t a t i o n o f a n a v e r a g e c u r r e n t m o d e c o n t r o l l e d P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n C o n v e r t e r , I n t e r n a t i o n a l P o w e r E l e c t T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g , N o v 4 - 6 , 2 0 0 3 .

9 . G . F . F r a n k l i n & J . D . P o w e l l , D i g i t a l C o n t r o l o f D y n a m i c S y s t e m s , A d d i s i o n - W e s l e y P u b l i s h i n g C o m p a n y , 1 9 9 8 , p p : 1 8 9 - 2 0 4 .



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