引言

諸如AC至DC和DC至DC SMPS等傳統(tǒng)電源產(chǎn)品均采用了一種模擬控制回路來對PWM模塊、集成電路(開關(guān)電源)和功率器件進行基本控制，并在這一基礎(chǔ)上添加了由單片機執(zhí)行的數(shù)字信號控制和通信功能。

但是，在數(shù)字電源中，模擬控制回路被數(shù)字控制回路所取代，并且PWM模塊通常集成在執(zhí)行高級控制和通信的同一顆單片機中。

為了更好地理解數(shù)字電源的架構(gòu)選擇和關(guān)鍵性能參數(shù)，最好先搞清楚使用數(shù)字回路的好處。通過采用數(shù)字回路控制來實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，可使開發(fā)人員的設(shè)計和業(yè)務(wù)大大受益。通過可再編程軟件執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換控制的功能以及DSC(數(shù)字信號控制器)解決方案的性能和功能正是這些益處產(chǎn)生的原因。以下羅列了使用數(shù)字回路的好處：

增加了功率密度
通過減少元件數(shù)量和縮小元件尺寸來縮小系統(tǒng)尺寸
加快了上市時間，簡化了生產(chǎn)過程
使用更少的元件實現(xiàn)功能豐富的設(shè)計
由DSC軟件執(zhí)行功率因數(shù)校正
降低因元件容差/參數(shù)漂移而引起的設(shè)計復(fù)雜度
利用軟件以更少的硬件平臺支持各種各樣的最終產(chǎn)品
消除了生產(chǎn)線調(diào)整—無元件容差問題
允許下生產(chǎn)線后進行配置(負載限制和通信協(xié)議等)
提高了自測功能，簡化和加快了產(chǎn)品測試
新的高性價比特性
適應(yīng)變化的負載(容性、感性、阻性和電流需求)
更好的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范 —不僅限于線性技術(shù)
管理電壓的變化，避免元件參數(shù)超出規(guī)范限定
增加了可靠性
限制電源的工作參數(shù)不會超出規(guī)范限定
元件數(shù)量的減少有助于可靠性的提高
成本較低的冗余選項
保護知識產(chǎn)權(quán)
由存儲在受保護閃存中的軟件實現(xiàn)關(guān)鍵的創(chuàng)新IP。

數(shù)字回路結(jié)構(gòu)

許多不同的電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)均可通過使用現(xiàn)代DSC技術(shù)的數(shù)字回路控制實現(xiàn)。圖1描繪了一個已大大簡化的控制電源轉(zhuǎn)換的數(shù)字回路結(jié)構(gòu)示例。

圖 1 數(shù)字回路結(jié)構(gòu)示例圖

虛線框內(nèi)的所有組件均包含在DSC內(nèi)。要實現(xiàn)數(shù)字回路，首先必須使用ADC對模擬信號進行轉(zhuǎn)換。本例中，運行在DSC中的軟件對采樣進行處理以執(zhí)行控制電源所必需的電壓和電流控制回路。這些回路的執(zhí)行結(jié)果隨后被用來控制片上數(shù)字PWM模塊，由該模塊直接控制功率器件。目前基本的數(shù)字控制回路功能通常是由運行在DSC中的軟件實現(xiàn)的，軟件執(zhí)行的是定點算術(shù)運算。DSC的內(nèi)部架構(gòu)集單片機和數(shù)字信號處理器(DSP)的功能于一身。DSC中的DSP部分執(zhí)行基本的算術(shù)運算以實現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的控制算法。例如，某些專用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC內(nèi)部具有16位的定點DSP引擎。

我們首先要考慮的是對實現(xiàn)可靠而經(jīng)濟有效的轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要的實際問題。

要達到可靠、高效且功率密度大的目標，用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC自身必須能提供實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的絕大多數(shù)組件。這一點很重要，因為如果數(shù)字電源設(shè)計方案需要許多外部支持芯片的話，這三個目標將會受到影響。

圖2是配備有實現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源轉(zhuǎn)換所必需的組件的DSC示例的基本框圖。有助于減少元件數(shù)量和增加電源可靠性的特定外設(shè)和功能有：

1. 內(nèi)部數(shù)字PWM。用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC應(yīng)具有一個專為驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換電橋而設(shè)計的高速數(shù)字PWM。

2. 內(nèi)部ADC。數(shù)字電源轉(zhuǎn)換需要DSC帶有一個具有特殊觸發(fā)和采樣/保持功能的高性能ADC。

3. 內(nèi)部模擬比較器。片內(nèi)模擬比較器有助于實現(xiàn)特定的高速控制算法，如限流算法。比較器應(yīng)在內(nèi)部與數(shù)字PWM模塊相連并配備有可編程內(nèi)部參考電壓模塊。

4. 內(nèi)部電源管理。DSC內(nèi)部的電源管理子系統(tǒng)提供欠壓復(fù)位和上電復(fù)位功能，以及允許DSC實現(xiàn)單電源供電的內(nèi)部電壓。

5. 內(nèi)部高精度RC振蕩器。該高精度RC振蕩器和內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)電路提供驅(qū)動處理器和高速外設(shè)所需的所有時鐘信號。

6. 內(nèi)部通信外設(shè)。器件應(yīng)具有與系統(tǒng)中其他部分通信所必需的通信外設(shè)。

7. 內(nèi)部閃存和RAM。器件必須包含運行軟件所需的內(nèi)部存儲器。一般來說，具備閃存而不是ROM很重要，因為閃存可存儲專為各種最終產(chǎn)品而編寫的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換軟件，使軟件具有充分的靈活性。

8. 小尺寸。DC至DC的應(yīng)用對空間有一定的限制，因此DSC必須以小封裝形式提供。

9. 擴展級溫度。對于許多高功率密度應(yīng)用，電源的工作溫度較高，這就要求DSC可承受更大的溫度范圍。

在研究數(shù)字電源轉(zhuǎn)換設(shè)計時，設(shè)計人員還必須考慮為控制電路和DSC本身供電的輔助電源。圖2中的DSC支持單輸入電壓并且具備必需的電源管理功能，從而簡化了輔助電源電路，提高了可靠性。

在諸如AC至DC轉(zhuǎn)換器的某些應(yīng)用中，器件可執(zhí)行AC至DC轉(zhuǎn)換控制以及諸如功率因數(shù)校正(PFC)等功能。支持增加諸如PFC等功能的數(shù)字PWM功能模塊是PWM互補輸出對的獨立時基。通過使用“備用”PWM信號和運行在DSC上的軟件即可實現(xiàn)上述功能，無需外部PFC芯片，從而進一步增加了電源的可靠性。

實現(xiàn)數(shù)字回路

典型拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制回路示例將說明DSC或其他拓撲結(jié)構(gòu)的選擇會對設(shè)計產(chǎn)生怎樣的影響。圖3顯示了一個同步降壓轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)構(gòu)之所以稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器是因為晶體管Q2的開關(guān)與主開關(guān)Q1同步。同步降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計理念是將MOSFET用作與標準整流器相比具有極低正向壓降的整流器。當(dāng)二極管的電壓下降時，降壓轉(zhuǎn)換器的整體效率將會提高。同步整流器(MOSFET Q2)還需要一個與主PWM信號互補的PWM信號。Q2會在Q1關(guān)斷時導(dǎo)通，反之亦然。這種PWM形式被稱為“互補的PWM”模式。

圖3 同步降壓轉(zhuǎn)換器

圖4描繪了一個SMPS控制回路示例。最需要注意的是圖中的每個模塊都有相關(guān)的延時。采樣/保持電路通常每2到10微秒采樣一次，且ADC需要約500納秒將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

圖4 SMPS控制系統(tǒng)示例

比例-積分-微分(PID)控制器是運行在DSC上的一個程序，其計算延時約為1至2微秒。該控制器的輸出被轉(zhuǎn)換為一個PWM信號，由該信號驅(qū)動開關(guān)電路。若在設(shè)定新的占空比后，PWM發(fā)生器不能立即更新其輸出，就會引入相當(dāng)大的延時。此外，根據(jù)所用的器件和電路的設(shè)計，晶體管驅(qū)動器和相關(guān)晶體管引入的延時在50納秒到1微秒。輸出濾波器通常由電感和電容電路構(gòu)成，同樣會導(dǎo)致較大的延時。

與模擬反饋信號轉(zhuǎn)換、處理器的數(shù)字計算以及數(shù)字PWM信號輸出給功率晶體管的延時相關(guān)的所有延時都被加到采樣速率延時。主控制回路的有效采樣頻率是控制器延時和采樣延時的倒數(shù)。在本示例中，控制延時是4.1微秒，因此采樣速率大約為244 kHz。

控制器帶寬是控制器的有效采樣速率與過采樣比之商。一般來說，回路穩(wěn)定工作要求6至10倍的過采樣。在本示例中，需要6倍的過采樣比來實現(xiàn)所需的回路性能。估計控制器帶寬為40 kHz。在控制算法中加入前饋控制項可提升控制器的性能，使其性能超越帶寬為40 kHz的傳統(tǒng)PID控制器。

了解了這么一個示例以后，讓我們看看采用這樣的基本回路如何達到電源應(yīng)用的某些架構(gòu)需求。要防止PWM信號的波動對控制器產(chǎn)生影響，要求PWM重載頻率應(yīng)至少比DSC帶寬高4或5倍。本示例中兩者的比為10:1，這樣就要求將PWM頻率設(shè)置為400 kHz。一旦設(shè)置了PWM重載頻率，就可據(jù)此確定PWM分辨率。

許多供應(yīng)商和客戶均對“PWM分辨率”這一術(shù)語感到困惑。PWM分辨率并非指特定計數(shù)器的寬度，而是指在一個PWM周期內(nèi)的計數(shù)值(可能的最小PWM時間片段)。在電源行業(yè)中，PWM分辨率指定為一個PWM周期中可達到的最小時間增量，通常單位為納秒。如果DSC的數(shù)字PWM模塊不具有足夠的分辨率，控制系統(tǒng)(硬件或軟件)將會使用dither(擾動)處理方法對輸出進行調(diào)整以實現(xiàn)期望的平均輸出。在電源應(yīng)用中，PWM擾動會導(dǎo)致電流紋波問題并使控制進入不理想的“極限循環(huán)”工作模式。

PWM分辨率 = PWM計數(shù)器頻率 / PWM頻率

已經(jīng)為設(shè)計選擇好了PWM頻率，還必須確定所需的PWM分辨率。本示例要求約11位的分辨率，因此PWM時鐘必須工作在約1 GHz的頻率下。

控制算法由SMPS軟件實現(xiàn)，其中的核心就是PID循環(huán)。PID軟件通常比較小，只有1到2頁的代碼，但其執(zhí)行速率非常高，通常每秒可以進行幾十萬次迭代！

這樣高的迭代速率要求PID軟件程序必須足夠高效以使性能最佳。匯編器提供了確保“代碼緊湊”的好方法。

PID軟件的執(zhí)行時間確定了兩個系統(tǒng)性能指標：

1. PID迭代速率，由它確定控制回路更新之間的時間。

2. PID執(zhí)行時間，是反饋采樣和PWM更新之間的關(guān)鍵路徑。

ADC以固定的時間間隔中斷，供DSC執(zhí)行PID控制循環(huán)。任何可在“閑置循環(huán)”內(nèi)執(zhí)行的系統(tǒng)函數(shù)均應(yīng)在PID控制軟件循環(huán)外執(zhí)行。諸如升壓/降壓、錯誤檢測和前饋計算等函數(shù)，以及通信支持程序均可在閑置循環(huán)內(nèi)執(zhí)行。任何其他由中斷驅(qū)動的進程(比如通信)的優(yōu)先級必須低于PID循環(huán)。

設(shè)計數(shù)字電源轉(zhuǎn)換軟件時可遵循如下指導(dǎo)方針：

推薦采用匯編語言編寫執(zhí)行速率極快的內(nèi)部PID循環(huán)
PID執(zhí)行時間會影響穩(wěn)定性
PID迭代速率會影響穩(wěn)定性
PID處理器的負載不超過其額定值的66%
在閑置循環(huán)中執(zhí)行“輔助函數(shù)”。

數(shù)字電源轉(zhuǎn)換需要某些獨特的ADC采樣功能，來實現(xiàn)不需要過多處理功能的實際應(yīng)用。系統(tǒng)中實現(xiàn)了一個控制回路，DSC在該回路中通過PWM狀態(tài)驅(qū)動被采樣的信號。系統(tǒng)了解何時采樣感興趣的信號以提供最多的信息。圖5說明了在PWM驅(qū)動信號的精確位置觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的重要性。

圖5 異步ADC采樣示例

要使電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的設(shè)計成本最低，最好是能夠?qū)ο到y(tǒng)中接近地電位的位置測量電壓和/或電流。這樣省去了處理直接監(jiān)視通過電感“L”的電流所需的大共模電壓的電路，從而降低了成本和復(fù)雜性。

在本例中，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時電感電流流經(jīng)晶體管。應(yīng)當(dāng)測量晶體管關(guān)斷時的瞬態(tài)峰值電流。如果用戶無法在正確的時候捕捉電流采樣(比如采樣延時)，晶體管將處于“關(guān)斷”狀態(tài)。若在晶體管關(guān)斷時采樣，因為沒有電流流經(jīng)檢測電阻“R”，因而測量不到電流。采樣延時比測得不良數(shù)據(jù)更糟糕——因為根本就沒有數(shù)據(jù)！

如圖5所示，異步轉(zhuǎn)換的功能在數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中很重要。在異步轉(zhuǎn)換中，ADC不限于周期性采樣速率。這些應(yīng)用要求采樣點與根據(jù)PWM模塊輸出的驅(qū)動信號設(shè)定的精確位置對齊。采用多個ADC采樣保持電路同樣很重要，因為它們可靈活地由數(shù)字PWM外設(shè)直接觸發(fā)。由于軟件引入的抖動，通過軟件觸發(fā)(與由數(shù)字PWM觸發(fā)相比)無法產(chǎn)生有用的結(jié)果。通過軟件觸發(fā)的方式還會因執(zhí)行軟件而引入過長的時間。

模擬比較器提供了直接在數(shù)字控制回路中執(zhí)行所無法獲得的額外好處，這是由于：

ADC無法連續(xù)監(jiān)視信號。
ADC的監(jiān)視功能受ADC速度限制。如果ADC花費所有的時間監(jiān)視特定的信號，它將無法監(jiān)視其他任何事務(wù)。
基于ADC的電流監(jiān)視會延長電流測量和PWM輸出之間的延時(> 300 ns)。
模擬比較器使電流測量和PWM輸出之間的延時約25納秒。
模擬比較器可監(jiān)視過壓或過流條件，而無需依賴處理器。
模擬比較器無需下載處理器軟件或ADC，就可執(zhí)行電流模式的控制。

一般來說，用來執(zhí)行限流或數(shù)字PWM信號的故障關(guān)斷功能的模擬比較器對于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)很重要。圖6給出了使用模擬比較器執(zhí)行限流的系統(tǒng)示例。

圖6 使用模擬比較器進行限流

模擬比較器接入數(shù)字電源系統(tǒng)的方式也很重要。例如，每個模擬比較器均應(yīng)自帶一個10位DAC，從而允許用戶控制比較器的閾值。比較器的參考電壓必須精確而穩(wěn)定，且比較器必須具有快速響應(yīng)。

通常，從檢測到模擬電壓到比較器修改PWM輸出的時間應(yīng)為20納秒左右。限流控制或故障響應(yīng)就是在這個時間段內(nèi)執(zhí)行的。這個響應(yīng)時間比通過軟件“查詢”技術(shù)可能花費的時間快很多，軟件技術(shù)會使用ADC和處理器軟件來修改PWM輸出，作為對條件變化的響應(yīng)。

復(fù)雜的電源產(chǎn)品和數(shù)字電源轉(zhuǎn)換

將數(shù)字電源轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用到更為復(fù)雜的電源產(chǎn)品會帶來很多好處。例如，圖7給出了一個AC至DC電源的框圖。

圖7 數(shù)字AC至DC電源框圖

圖7中的設(shè)計被分為三個主要部分—升壓PFC、隔離的DC至DC轉(zhuǎn)換器和弱電側(cè)的一組低壓DC至DC同步降壓轉(zhuǎn)換器。在PFC電路中，交流輸入電壓被轉(zhuǎn)換為直流電壓并被升至400 V，該電路負責(zé)使設(shè)計中的電源線電壓失真降至最小。PFC確保電源線上的電流成正弦波形，與線電壓同相位。

PFC電路輸出的400 VDC總線電壓隨后被饋送給推挽式DC至DC調(diào)制器電路，該電路產(chǎn)生的脈沖電壓可應(yīng)用給變壓器。變壓器隔離交流線路和直流輸出電壓并執(zhí)行從400 VDC到12VDC的電壓轉(zhuǎn)換。然后對變壓器的輸出進行整流和濾波。

該設(shè)計使用“中間總線”架構(gòu)。中間總線電壓為12 VDC，它不直接驅(qū)動負載而是向一組同步降壓轉(zhuǎn)換器供電。這些轉(zhuǎn)換器將中間電壓轉(zhuǎn)換為最終輸出電壓。

本設(shè)計中使用了兩個DSC—一個控制PFC和推挽式電路，另一個控制降壓轉(zhuǎn)換器并將信息反饋到強電側(cè)DSC。在系統(tǒng)中放入這兩個DSC在保持系統(tǒng)兩邊全功能工作的前提下大大降低了隔離的成本和復(fù)雜度。隔離可被限制為隔離用于處理器間串行通信的兩個數(shù)字信號，能以低廉而可靠的方式實現(xiàn)。這樣的設(shè)計消除了對模擬信號進行隔離的需要。系統(tǒng)中DSC的價格應(yīng)足夠低，體積應(yīng)足夠小，從而可在必要時在一個設(shè)計中使用多個。

目前許多SMPS使用“硬開關(guān)”，其中晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷與施加給晶體管的信號的電流相位和電壓無關(guān)。

在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，電壓和電流同相，因此開關(guān)功率損耗與開關(guān)頻率和時間直接成正比。這種情況下開關(guān)時間很可能與實際所能達到的時間一樣短。為進一步降低開關(guān)損耗開發(fā)了SMPS拓撲結(jié)構(gòu)和控制方案，以將開關(guān)過程中晶體管電壓相對于其電流的相位進行移動。如果開關(guān)過程中電壓或電流為零，則開關(guān)功率損耗為零。

采用“軟開關(guān)”可提高電源的效率、降低其成本并增加可靠性。此外，通過實現(xiàn)較高的開關(guān)速率，可使用更小的儲能器件和磁性元件，從而進一步降低系統(tǒng)成本和尺寸。通過使用軟開關(guān)，還會降低系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，因而會使儲能器件和磁性元件具有更大的裕量—從而進一步提高了系統(tǒng)可靠性。
訣竅是要以經(jīng)濟的方式實現(xiàn)軟開關(guān)，這就要求數(shù)字PWM模塊具有支持軟開關(guān)技術(shù)的額外功能。要實現(xiàn)各種各樣的拓撲結(jié)構(gòu)和先進的開關(guān)技術(shù)，如上述討論的有關(guān)軟開關(guān)的技術(shù)，所選芯片上的數(shù)字PWM應(yīng)相當(dāng)靈活。PWM模塊中針對數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的功能包括下述幾種工作模式所需的功能：

1. 標準。標準模式是標準的非互補的輸出模式，其中一路或兩路輸出提供相同的PWM波形。

2. 互補?；パa模式在一個引腳上提供PWM輸出信號，在另一個引腳上提供與之互補的PWM信號。

3. 推挽。推挽模式在一個輸出引腳上提供標準PWM信號。在下一個周期，由另一個引腳輸出相同的PWM信號，然后這一過程不斷重復(fù)。

4. 多相。多相模式允許多個PWM發(fā)生器輸出同步的PWM信號，但這些信號之間存在相移。

5. 可變相位?？勺兿辔荒Ｊ脚c多相模式類似，但前者信號間的相位關(guān)系是不斷改變的。

6. 電流復(fù)位。電流復(fù)位模式是一種變頻模式，由用戶指定導(dǎo)通時間，由外部信號或內(nèi)部模擬比較器截斷導(dǎo)通時間使PWM輸出關(guān)斷。

7. 限流。限流模式是標準、互補、推挽、多相和可變相位模式的一種形式，其中模擬比較器或外部信號會逐周期截斷數(shù)字PWM的導(dǎo)通時間。

結(jié)語

電源產(chǎn)品中正越來越多地使用數(shù)字電源轉(zhuǎn)換技術(shù)以提高產(chǎn)品的性能、效率和功率密度。本文闡述了設(shè)計人員可用來達到這些目標的實用技巧，首先是選擇合適的硬件架構(gòu)。數(shù)字電源設(shè)計的實際需求以及如何滿足這些需求是設(shè)計人員開發(fā)經(jīng)濟高效的數(shù)字電源產(chǎn)品的絕對重點。

使用數(shù)字技術(shù)的重要價值之一就在于它給予了設(shè)計人員創(chuàng)造和保護新知識產(chǎn)權(quán)(IP)的自由。使用新型靈活的DSC開發(fā)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的設(shè)計人員正在嘗試使用新的技術(shù)來進行拓撲結(jié)構(gòu)和算法創(chuàng)新。由于新的IP是采用軟件而不是硬件實現(xiàn)的，因而可得到快速而高效的測試。