在去 A 化的背景下，朋友推薦給了一個(gè)國(guó)產(chǎn)的數(shù)字電源控制 IC—華大半導(dǎo)體圖騰柱 PFC 控制器 HSA8000-N。它是數(shù)字模擬混合 IC，使用了開(kāi)源的 RISC-V 內(nèi)核，無(wú)需擔(dān)心美國(guó)制裁。片上有豐富的高性能模擬和數(shù)字外設(shè)，如 ADC 采樣，由事件驅(qū)動(dòng)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(gè)方案的外部零部件數(shù)量和系統(tǒng)成本，可見(jiàn)圖一所示：

（圖一 HSA8000-N 無(wú)橋圖騰柱 PFC 方案）

它易于使用，無(wú)需用戶編程。原廠已經(jīng)寫入了固件，用戶只需通過(guò) GUI 對(duì)某些控制參數(shù)進(jìn)行修改，來(lái)滿足項(xiàng)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(lái)分別優(yōu)化重載和輕負(fù)載的效率，使得由這個(gè)芯片控制的 PFC 可以滿足 80Plus 鈦金的效率標(biāo)準(zhǔn)。

可以說(shuō)是高性能服務(wù)器電源，通信電源，大功率家電的前級(jí) PFC 部分的非常優(yōu)秀的解決方案。特別是對(duì)于有需求做高效率無(wú)橋圖騰柱 PFC，但是沒(méi)有 DSP 控制能力的朋友來(lái)說(shuō)可以算是一個(gè)福音了。畢竟 HSA8000 這個(gè)方案簡(jiǎn)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(gè)正弦周期內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn) CCM 和 CRM 兩種工況的自然過(guò)渡，尤其是在 CRM 模式工作時(shí)?？刂破髟O(shè)置滯環(huán)電流控制器的低端比較值為零，同時(shí)再檢測(cè)高頻開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓，進(jìn)行綜合邏輯判斷后能實(shí)現(xiàn) TCM 模式，實(shí)現(xiàn)更高的效率。示意圖可見(jiàn)圖二所示。有關(guān)圖騰柱 PFC 的具體控制，將在后面的文章展開(kāi)，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(shí)時(shí)控制、響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，分別是：

它響應(yīng)時(shí)間最快（無(wú)需計(jì)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(wú)需采樣轉(zhuǎn)換參與控制）

外接電感的精度要求低 （因?yàn)槭腔诩y波電流控制，電感偏移 20%問(wèn)題也不大）

環(huán)路濾波算法簡(jiǎn)單 （無(wú)需計(jì)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(wú)需計(jì)算精確的電感平均電流）

過(guò)流保護(hù)能力強(qiáng) （Cycle by cycle 比較器 limits）

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

拓?fù)涞碾姼须娏骺梢允沁B續(xù)模式運(yùn)行，也可以是斷續(xù)模式運(yùn)行。不同于峰值電流模式，使用滯環(huán)控制時(shí)即使電感電流連續(xù)占空比大于 50%也無(wú)需斜坡補(bǔ)償也能穩(wěn)定工作。圖三是滯環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)原理，當(dāng)電感電流的峰值高于控制設(shè)定值后關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，同時(shí)電感電流下降，當(dāng)電感電流下降到低于控制設(shè)定值后再開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管。

其中（CTRL_H – CTRL_L）就是電感電流的紋波，如果通過(guò)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(shí)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(shí)時(shí)限制：

（滯環(huán)控制值實(shí)時(shí)限制了電感電流）

從控制的效果來(lái)看，由于滯環(huán)控制每個(gè)周期都控制了流入電感的電流，因此在控制模型的角度來(lái)看，也應(yīng)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(jiǎn)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(guò)在滯環(huán)控制值上注入擾動(dòng)，測(cè)試的頻率響應(yīng)。從幅頻特性圖來(lái)看，滯環(huán)電流控制的功率級(jí)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(yīng)分析）

但是它的控制方法可以歸為非線性控制范圍，沒(méi)有傳統(tǒng) PWM 的載波和調(diào)制的概念。在定頻 PWM 工作時(shí)，電感電流的紋波只和電感量和負(fù)載電流有關(guān)系。但是滯環(huán)控制還會(huì)因?yàn)殡姼须娏骷y波的大小反應(yīng)到開(kāi)關(guān)頻率的變化范圍上。因此為了簡(jiǎn)化磁件設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制，還需要準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)電感電流的峰值和谷值，如果是使用 ADC 來(lái)做模數(shù)轉(zhuǎn)換就很難實(shí)現(xiàn)這種控制方法。因此滯環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)必須是基于高速模擬比較器才行，能準(zhǔn)確的判斷出電感電流的峰值和谷底點(diǎn)。華大半導(dǎo)體的 HSA8000 圖騰柱控制器就集成有高速模擬比較器，可見(jiàn)圖六所示。用來(lái)判斷電感電流的峰值和谷值點(diǎn)，產(chǎn)生兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，PWM 控制器內(nèi)部有狀態(tài)機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制方法。

內(nèi)置有兩個(gè)模擬比較器

在上文中我們已經(jīng)知道滯環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)方法，可以在仿真軟件中用 SR 觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯，可見(jiàn)圖七所示。當(dāng)電感電流大于峰值設(shè)置后，SR 觸發(fā)器拉低 Q 輸出，當(dāng)電流低于谷底設(shè)置后 SR 觸發(fā)再拉高 Q 的輸出。如果是互補(bǔ)的 PWM 就可以使用 Q 非，其邏輯的實(shí)現(xiàn)不在累述。

滯環(huán)控制的仿真實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)的邏輯可見(jiàn)圖八：

滯環(huán)控制的仿真波形

因此可以搭建一個(gè)同步 BUCK 供測(cè)試和分析滯后電流控制模式的性能，其模型可見(jiàn)圖九：

由滯環(huán)電流模式控制的 BUCK 變換器

首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試負(fù)載從 10% ~ 90%的變化，輸出電壓的過(guò)沖和下沖的值僅為 0.8V，約為輸出電壓的 6.6%。說(shuō)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(cuò)，可見(jiàn)圖十。

（ 滯環(huán)電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試）

小結(jié)：

簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)滯環(huán)電流控制的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性都非常不錯(cuò)，是一種優(yōu)秀的控制方法。
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