数字控制环路提高电路效率与提高响应能力

持续推动功率转换器设计的更高效率。此外，在计算处理中支持高水平能效的需求导致产生具有高动态行为的负载，其中处理器和外围设备基于其工作负载激活和停用。这推动了功率转换器架构从模拟到数字实现的变化。

开关模式功率转换器的运行看起来是数字的，因为它依赖于一个离散电荷包的传输转换器的另一面。该技术主要基于在离散时间点对输出状态进行采样，以确定应该保持输送电荷的开关多长时间。然而，尽管这种明显的数字结构，大多数实现都基于模拟控制电路。

在大多数开关模式电源采用的脉冲宽度调制（PWM）方案下，转换器提供一个电荷包到通过首先接通两个并联FET中的一个来实现输出轨。高侧FET激活一段时间由PWM控制器决定。在此期间，输出电压向输入电压方向上升。电流流入电感器，用作电荷的临时存储器。电感中的电流随公式（Vin - Vout）/L给出的斜率线性上升。

一旦控制器关断高侧FET，低侧开关将保持关闭状态短期内。这可以防止在两个FET上产生不必要的浪费的功率。然后，低侧FET被激活一小段时间，然后允许接通。然后电感电流开始以-Vout/L的斜率下降，直到低侧FET关闭并且循环再次开始。结果，输出侧的电流趋于在平均水平之上和之下振荡。通过电感和输出电容进行滤波有助于平滑输出到负载的电流和电压。

为确定每个周期内FET的导通时间，转换器内部的PWM控制器将输出电压与输出电压进行比较。参考电压，产生误差电压。误差信号应保持非常接近零，但随着负载需求的变化将上升和下降。这种简单的结构允许使用模拟电路实现电路。

任何电源转换器的一个关键问题是负载需求的变化与PWM控制器产生的补偿之间存在滞后，因为它是离散的性质。控制回路的设计存在固有的权衡。为确保稳定性，平均值用于防止输出电压中出现不必要的振铃，从而导致调节失败。通常，较慢的响应往往会使系统更稳定;但是，响应电源需求变化的延迟可能导致失调，因为基于PWM的控制环路试图跟上。试图在这两个极端之间进行折衷的方法是应用与误差电压的大小成比例的增益校正。这会以潜在的不稳定性为代价提高响应能力。

转向数字控制策略可以更灵活地设计控制策略。例如，通过经典的比例，积分，微分（PID）控制架构，基于数字或基于软件的实现使得更容易调整算法的不同部分的系数，并包括额外的反馈路径以获得更好的响应性。 PID控制器设计用于误差输入，并组合应用不同策略的处理模块的输出。

比例项直接作用于误差信号。如果错误很大，则该术语的输出也会很大。积分项考虑了控制器的长期动作。如果许多样本的误差电压仍然很大，则其输出很大。衍生术语试图通过分析误差信号的变化率来展望未来。如果错误迅速变化，则该术语的输出将相应地大。通过改变三个项的系数，控制器用户可以很容易地改变算法的响应性和稳定性。

数字战略还可以利用多速率采样。多速率采样不是以恒定频率采样，而是使策略适应负载条件的快速变化。使用单个采样输入实现此效果的一种方法是采用可变频率切换。如果输出电压开始变化更快，控制器会增加PWM频率以适应。然而，变频开关在电磁兼容性（EMC）方面给设计人员带来了挑战：过滤固定频率比覆盖更宽频率范围更容易。

图1：Intersil ZL8800的方框图。

Intersil开发了ChargeMode技术，提供了一种介绍优势的方法多速率采样没有负面影响。该技术用于ZL8800双通道/双相DC/DC控制器，在开关周期内对误差电压进行采样并多次计算调制信号，以便控制器可以调整PWM波形的两个边沿的时序。这种技术显着减少了群延迟，因此支持非常高的带宽操作。

ChargeMode方法的可编程特性使得通过改变内部系数来拨入高环路增益成为可能。该控制器采用了一种新颖的策略来克服仅使用高环路增益的不稳定性，该环路增益将PWM定时的快速变化的影响定位到一个或几个周期。占空比突然变化的影响可以在接下来的几个周期内得到补偿，并由ASCR块执行。

图2：结构ASCR控制回路。

补偿器使用与PID控制器相似的基于反馈的算法，但差别在于补偿器有两条并行路径用于处理量化误差电压。快速路径以比慢速路径更高的速率操作，并且与慢速路径不同，不包括积分器块。快速路径主要用于补偿占空比变化的短期影响。数学上，补偿器简化为两极，二零滤波器。这种结构提供了可预测的稳定性能。

包含ASCR数字补偿器的ChargeMode控制减少了误差采样瞬间和占空比决定之间的延迟。这转化为高频下的自然相位提升，从而带来稳定性并使高带宽设计成为可能。 ASCR补偿器只需要调整带宽。 ASCR块有两个输入：增益设置和残差。但是，在各种输出滤波器配置中，只需要改变ASCR增益即可达到所需的闭环带宽操作。增益负责整体瞬态响应速度，而残差是阻尼因子，基本上设定环路的响应速率。这可能会提高高瞬态敏感设计的性能，但默认设置适用于大多数系统。

图3：不同软件参数对脉冲的影响传统的多速率采样技术的一个潜在缺点是由于误差电压的过采样而将开关频率谐波注入反馈回路。诸如ZL8800之类的设备在快速路径中采用了低延迟纹波滤波器来处理该问题。纹波的重复元素被拒绝。

软件可配置数字控制环路的另一个优点是能够在PCB组装后对器件行为进行编程，而不是依赖于添加无源元件，如电阻器和电容器。这提供了在制造期间更容易的原型设计以及系统调整。 Intersil为ChargeMode技术设备编写的PowerNavigator软件可以简单配置电源控制器，并为增益和其他参数的合适设置提供指导。

由于数字控制和软件可编程性的结合， ZL8800代表了不断增长的功率转换器之一，将进一步提高能效。