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出于更好的功率調節和更嚴密的安全性考慮，需要高效而智能的電源——可以從外部進行監控，制造上更具成本效益，且硬件改動極小的電源。電源工程的發展已經表明：功率轉換反饋回路的數字控制使得設計人員能夠以更低的成本開發出更精確、可靠的電源，且電源的功率密度更高，可以更快上市。 在DC/DC轉換額定功率＜100W和AC/DC轉換額定功率＜250W的電源中，使用模擬反饋電路仍然是有道理的。但是，在功能要求更高、額定功率更大的電源中，功率轉換反饋回路的數字控制就變得至關重要，因為它能克服固定模擬方法所具有的大部分局限性。例如，容性負載可能會顯著影響電源的穩定性。盡管設計模擬反饋系統時，可以處理容性負載，但負載電容的顯著變化可能會超出設計的相位和增益裕量。而數字反饋系統的優點之一是能夠隨時調整補償，這樣反饋就能實時地對變化范圍較寬的負載特性進行補償。 一直到不久前，數字反饋系統的使用仍相當有限，原因是數字反饋系統被認為是復雜的，所需DSP的成本不低以及外設的能力有限。不過，經過一定的培訓，人們頭腦中對數字反饋系統的復雜性印象開始逐漸減弱；同時，數字信號控制器DSC的引入也減輕了成本和外設功能等方面問題。 DSC把MCU的外觀和DSP的計算處理能力結合在一起。最終得到的DSC既展現了DSP的數學性能，又保持了外設的靈活性以及復雜而協調的功能。DSC顯著降低了設計的復雜度，但又沒有犧牲CPU性能。實際上，憑借上述特性，采用DSC的設計要比DSP設計簡單得多，因為很多DSC產品都具有電源友好的片上外設。這樣的外設包括基于計數器的脈寬調制模塊、模擬比較器以及ADC等；從而能夠進行基于模擬比較器的反饋和ADC采樣。這些功能，再加上單時鐘周期的快速乘法，使得DSC能夠輕松處理電源控制回路軟件所需的高執行速度。 由于DSC的性能，再加上高功率設計的較低開關頻率，即使是一塊帶有恰當外設、性能普通的DSC也能輕松地處理多個控制回路。這意味著，單個芯片不僅能夠改善電源的響應特性，還能夠同時改善多個獨立輸出的響應特性。 在開始電源設計之前，設計人員必須做出三項決策： 1 設計的拓撲結構 2 工作模式 3 控制方法 拓撲結構主要由設計中輸入至輸出的電壓比決定。工作模式取決于拓撲結構、需要的輸出電流以及元器件相關成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術，其次是元器件成本。我們將詳細討論它們，同時還要考慮到DSC的使用將如何影響決策。 拓撲結構 如前所述，拓撲結構主要由設計中輸入至輸出的電壓比決定。對于較高的輸入電壓，通常使用降壓拓撲結構；而較低的輸入電壓則通常使用升壓拓撲結構。然而，經常影響拓撲結構決策的另一個因素是：是否存在滿足功能要求同時又與所選拓撲結構兼容的PWM控制器。說到底，如果設計人員不能產生合適的開關信號，使用開關式電源SMPS是不可能的。 這時，就該DSC上場了。由于DSC的外設是可編程的，就有可能產生單個PWM輸出、兩相或多相PWM輸出、半橋驅動輸出，甚至產生全H橋驅動輸出。實際上，由于DSC外設的可編程性，給定的拓撲結構甚至不需要保持不變。DSC完全有能力從單相切換到兩相，然后再切換到三相，切換時在相與相之間都能保持恰當的相移。有些DSC甚至功能更強，它們提供了橋式輸出之間的死區控制，從而避免同步開關設計中的超調電流（見圖1）。 圖1 可能的DSC PWM配置 工作模式 接下來要考慮的是工作模式。通常，模擬設計要么使用連續電感電流，要么使用不連續的電感電流。這兩種選擇都有明顯的優點。不連續的電流模式設計，即便輸出電流降到零，也能夠維持電壓穩定。連續的設計使用更小的磁材料，能夠對輸出電壓紋波進行更好的控制。不久之前，由于這兩種模式的反饋要求不同，還不可能有效地把它們組合在一起�，F在，這一組合已成為可能了。 但是，在工作時可以實時地重新配置DSC的可編程外設。這就意味著采用DSC的設計能夠在工作模式之間進行切換；當輸出電流足以使工作穩定運行時切換到連續模式，而當輸出電流下降得過低時切換到不連續模式。 模擬設計當然能夠進行類似的切換，盡管如此，模擬設計卻需要兩條反饋通道（每種模式一條），切換時將產生瞬間毛刺。所以，DSC就多了一個優點，它只需要一條反饋通道。由于反饋是建立在軟件基礎之上的，就還有可能預先裝載反饋濾波器的存儲元件，從而防止出現切換毛刺（見圖2）。 圖2 DSC工作模式改變 控制方法 最后的決策是設計的控制方法——是使用電壓模式控制還是電流模式控制。傳統的模擬SMPS設計使用這兩種控制方法中的任何一種，最終的決策通常取決于成本和可用的技術。 電壓模式控制是較老的方法，大多數早期SMPS設計中使用的就是電壓模式控制；它使用斜坡信號發生器和電壓比較器把來自偏差放大器/回路濾波器的偏差信號，轉換成PWM脈沖寬度。雖然簡單，但電壓模式控制有三個基本局限。首先，沒有為保護電路元件而對電流進行限制。其次，對于輸入或輸出的瞬變響應較慢。第三，它產生的反饋回路本質上是不穩定的。 電流模式是更好更安全的控制模式，它在構成上是雙回路的。內電流回路用來給電感充電，一直充到由輸出電壓回路指定的峰值電流為止。外回路類似于電壓模式控制的反饋回路，它也監控輸出和相位/頻率，補償反饋，并調節由電流回路傳輸的能量。 由于內環定期調節電感電流，電感器必然不能記憶前次脈沖，也不能把能量從一個周期傳遞給另一個周期。內環還為晶體管提供了峰值電流保護，消除了磁性元件中的磁滯效應，抑制了輸入電壓引起的變化，還提供了簡便的控制回路補償。 在數字SMPS設計中，電流模式控制的一種有效實現建立在DSC使用的基礎之上。DSC具有片上PWM外設，其工作方式與電流模式PWM發生器一樣（見圖3）。區別在于數字反饋的輸出。電壓模式設計利用反饋來直接控制PWM的占空比；而電流模式設計則利用DSC中PWM的基于比較器的脈沖終止功能，根據電流反饋來調節脈沖寬度，來調節由數字反饋驅動的數模轉換器輸出。 圖3 SMPS設計中，采用DSC的數字電流模式控制 通過計算SMPS設計所需的PWM頻率和最大占空比，并使用這些參數來配置PWM計數器，就可實現電流模式控制。這設定了系統的最大占空比和脈沖頻率。接下來，設計必須調整DAC參考輸出，以便處理預期的最大范圍內的電流反饋信號。這樣做，在控制PWM占空比時能夠提供最高的精度。最后，要開發特定的比例－積分－微分軟件程序，這是控制和穩定系統所必須的。PID程序不僅為穩定性提供了恰當的反饋（基于來自ADC的電壓反饋），而且還必須把反饋信號與其內部數字參考信號進行比較，輸出期望的電流設定值給DAC（DAC產生比較器的參考信號）（見圖3）。 數字回路控制注意事項 在SMPS應用中使用DSC應考慮的關鍵因素是要確保片上PWM模塊能夠為電源設計提供足夠的分辨率。DSC上的ADC為系統提供至控制回路的狀態（反饋信號），其也應該有足夠的分辨率和速度。接下來，重要的是挑選DSC，DSC的片上模擬比較器要為產生脈沖寬度提供足夠的速度。ADC可以替代比較器，用來終止PWM脈沖，但ADC得連續地監控和處理信號。這是對處理能力的浪費，因為被監控的信號僅僅與固定的限值進行比較。高速模擬比較器解放了處理器和ADC，讓它們執行其他更有價值的任務，同時使得DSC能夠執行電源故障保護和電流限制功能。 此外，如果DSC的ADC模塊能夠提供獨立的采樣保持電路，那么這樣的DSC會很有用。于是，DSC能夠在準確的時刻同時對多個電壓或電流信號進行采樣，這樣甚至能夠對持續時間短暫的信號進行采樣，有助于降低系統成本。如果ADC能夠進行異步采樣就更好，因為它能支持工作在不同頻率下的多重控制回路，諸如運行在70kHz的功率因數校正電路和工作在250kHz的DC/DC模塊。 SMPS設計中的PID算法 使用PID算法（見圖4），把偏差——實際輸出電壓與期望值之差——的比例、積分和微分組合在一起，控制PWM占空比。電壓及電流模式控制回路中均可采用PID算法。同樣的，有些DSC并不需要復雜的DSP編程技能，因為它是在熟悉的MCU環境中把DSP功能當作外設來提供。 圖4 PID控制循環的軟件結構 大于50%的占空比可能會出現電流模式的穩定性問題。但是，通過PID軟件可以方便地進行處理，軟件設定了期望的電流大小，所以按比例縮放DAC值非常簡單。這就使得斜坡補償的數字實現，要比使用模擬技術更加容易；使用模擬技術的話，斜坡發生器要與PWM脈沖進行同步，還需要一個把斜坡信號與電流反饋信號相加的求和點。使用這種方法，得到的是電流模式的SMPS設計，與運行在1～2 BIPS的快速控制器相比較，設計是基于經濟的、MIPS更低的DSC的。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC具有高精度數字PWM發生器、額定采樣速度為每秒兩百萬次的ADC、帶關聯10位參考DAC的高速模擬比較器以及30 MIPS高性能具備DSP處理能力的控制器。 PID控制循環是控制軟件的核心（見圖4）。每當ADC中斷定期發生時，就運行該軟件。諸如電壓斜坡上升/下降、偏差檢測、前饋計算這樣的系統函數以及通信支持程序應該在空閑循環（Idle Loop）中執行，其目的是要減輕PID控制軟件中不必要的工作負擔。 由于軟件中PID循環是時間要求很高的部分，為了高效使用DSC的資源，PID循環占用的可用處理器帶寬不應該超過66%。這樣，就給設計留下了足夠的處理器能力，以便處理諸如通信等在空閑循環中執行的函數，或者處理諸如軟啟動和定序這樣的支持函數。在基于30MIPS DSC的SMPS應用中，PID循環由30條指令組成，執行時間約為1μs。如果循環速度保持在500kHz（約2μs）的話，PID控制循環使用可用處理器帶寬的一半，即15MIPS。 SMPS中數字反饋控制的優點 在電源中使用數字反饋控制有若干優點，優點主要是關于靈活性的，讓設計人員擁有了更多的自由，更大的創新空間。前面已經提到，設計中經�？紤]的問題是：在設計實現時有沒有合適的技術可利用。DSC的優點在于其可配置性，使設計人員能夠開發出針對所需設計的適當技術。例如，如果電源必須在啟動和關斷期間協調多個輸出電壓，或者必須在一組獨立的功率轉換模塊之間進行負載或電流共享，數字反饋控制無需額外支出，就能提供這樣的功能。如果使用模擬元件以這樣的方式來定制電源的話，成本將非常高昂。 另一個優點在于能夠實時地改變系統，或者說擁有“熱交換”（hot-swap）功能。例如，在電信或其他任務至關重要的應用中，如果電源模塊出現故障的話，服務技術人員可以在系統繼續工作時，用新電源模塊來替換故障模塊。使用模擬元器件的話，這種“熱交換”功能將會非常昂貴，但如果電源是通過DSC進行數字控制的話，就極具成本效益優勢。 此外，如果電源必須應對不斷變化的需求的話，可以方便地對DSC重新編程，以便滿足要求；但是對于基于模擬的電源設計，就必須從頭設計新的模塊。還有，由于有片上閃存，DSC能夠簡化電源生產裝配線，即可以對一個批次的硬件設計進行配置，以便滿足客戶不同的電壓和/或電流要求。電源微調和校準也可以通過對DSC的閃存進行編程來實現，從而不需要微調電位計或由激光微調電阻。數字電源還能夠載入測試友好的軟件，用于開發板的測試，或者，基于相同的DSC硬件平臺，生產多種定制產品。 結語 關鍵之處在于，數字功率轉換的好處眾多；通過使用片上支持電源的外設的DSC，設計人員現在能夠以一種簡便、兼具成本效益的方式領略到這些優點。數字電源讓設計人員擁有更多的自由，更大的創新空間，能夠設計出可靠性更高、靈活性更大且可響應瞬態變化的電源，而且可以在生產末期通過固件來方便地進行定制，而不是通過硬件來進行。 |
