数字电源控制技术 - 全文

　　人们希望数字控制技术能为电源带来好处，能改善电源性能和降低成本。

　　一个基本的闭环稳压电源可以用数字电路或模拟电路实现。由于要实现更多的直接反馈电路，所以模拟控制环路变得非常复杂。大多数模拟电源在提供辅助监控和自适应性能方面受到很大的限制。数字电源控制技术的性价比和完善性优势是很明显的。

　　模拟电源和数字电源

　　图1和图2示出模拟电源和数字电源的框图。简化的数字电源框图中的数字电源管理单元包括数字化输出和监控信号的多通道ADC、实现闭环控制算法的逻辑、监控电路、数字通信接口、功率因数校正控制器等。数字电源的工作特性由存储在非易失性存储器中的编程数据确定。

　　

　　图1　传统的模拟电源框图

　　

　　图2　简化的数字电源框图

　　表征数字电源的4个主要特征是：可编程性，监控性能的可知性，响应性和数字环路控制。

　　数字电源控制技术为制造商和用户提供的好处如下：

　　·无调谐环路元件，这可避免故障和误调。

　　·较宽的稳定工作范围。

　　·消除了物理元件公差所引起的环路不一致性，使部件重复性更好。

　　·变更/更新可人为下载。

　　·传统电源改型只需最少或无测试方案的改变。

　　·具有产生虚拟电源元件的能力，使成本降低。

　　·较好的自诊断能力。

　　·降低系统主机要求。

　　·自动制造测试和调节，导致较好的一致性和较低的成本。

　　数字电源控制技术应用实例

　　·TI公司的Fusion Digital PowerTM器件（图3）是数字电源控制技术应用的成功事例。UCD7K家族集成大电流MOSFET栅极驱动器、可编程模拟过流检测和辅助电路用的3.3V线性稳压器。此器件由分离的PWM数字电源控制器和控制逻辑（包括微处理器或DSP）驱动。UCD8K器件把PWM电路和输出驱动器加到基本的UCD7K性能中。因为UCD8K　IC靠近模拟方式中的控制环路，所以此器件只需要外部数字控制器功能（时钟产生，辅助工作和通信）。此IC提供电压模式和峰值电流模式控制。工作频率和最大占空比由来自数字控制器的输入时钟信号设置。在UCD9K中包含1个12位16通道ADC（工作频率高达12.5MHz），提供数字闭环控制所需的信号。UCD9K器件可以认为是为数字电源控制定制的DSP。此IC包含所需的DSP功能、PWM、变换和通信电路。

　　

　　图3　TI公司Fusion数字电源家族

　　

　　图4　数字控制POL转换器应用实例

　　输出电压由模拟PWM控制，数字设置其限值。到UCD8K的时钟信号输入设置开关重复频率。软启动期间，时钟脉冲宽度逐渐增大到其最大值。此脉冲宽度相当于所允许的最大伏特一秒（VS）乘积。当电源运行正常时，模拟控制环路将产生短于最大VS嵌位值的PWM脉冲。因为VS嵌位信号是数字方法产生的，所以它比直接取自模拟信号更加灵活。

　　·Zilker公司的25-AZL2005和3-AZL2105是两款数字控制POL（负载点）转换器。图4示出它们的1个应用实例。系统控制器通过总线接口可以监控ZL2005/ZL2105的系统参量，包括输入和输出电压、输出电流、开关频率和占空比、内部结温或外部器件温度。可以设置它们独立的监控失效条件并当失效条件发生时通过分离引脚告知控制器。用引脚捷联（低态，高态或开路）、电阻器或SMBus可以编程稳定的输出电压、导通延迟和输出电压斜波率。SMBus编程能提供最高的输出电压精度；引脚捷联可使输出电压设置到0.6V~5V之间的9个电压值；电阻器可使输出电压设置在0.6V~5.5V之间的电压，步长10mV。在用一组ZL2005和ZL2105器件时，通过发送PMBus命令可以预先设置它们的上电时序。上电时序是由每个器件的I2C/SMBus地址确定的，从具有最低地址的器件开始导通，直到链路中的所有器件都导通。器件关闭正好相反，具有最高地址的器件先关闭，器件依次按地址高到低先后关闭。当链路中的所有器件都同步到相同的开关时钟时，相位扩展是可能的。通过I2C/SMBus接口可以设置每个器件的相位偏置（相位偏置＝器件地址×45o）为0o~337.5o之间的任意值（增量22.5o）。

　　·Agilent Technologies公司把数字电源解释为采用数字手段的电源输送控制。这包括数字控制的所有方面，如电压和电流电平是可编程的、用数字控制来保护末端用户负载、输出电压和电流的数字调整以及电源管理等。

　　数字技术可以增强全系统控制功能。在Agilent的N6700模块电流系统中，用数字电源管理使400W主机增加到1200W。系统以本地数字监控和每个电源的最大功率控制分配功率到每个电源。过压和过流保护系统中的数字反馈使保护比模拟方法更快和更精确，并使元件数减少和开发简化。

　　·EEC公司也设计和制造数字电源。ReFlex电源用固件定义的高速FPGA基等效电路代替传统的外反馈控制环路和保护管理环路的硬件定义传递函数。可编程DC电源中的数字控制提供0.1%电压编程精度和100%负载步变化的0.01%负载调整。数字控制技术使电源参量能动态和最佳自适应用户应用。环路参量的自适应控制同时支持编程精度、调整和动态响应的最佳化。另外，数字控制技术能实现复杂的控制算法，如功率模式控制或可变转换率控制。数字控制的灵活性和经济性能使电源组合成串联或并联配置，形成虚拟电源。

　　·开关电源的数字控制

　　开关电源可以用数字电流模式控制技术。数字电流模式控制方法克服了数字电压模式PWM控制器的很多局限性。数字电流模式控制保护晶体管免遭峰值电流，消除磁元件中的磁场“啮合”（“ratcheting”）、抑制输入电压变化、简化控制环路补偿。

　　

　　图5　数字信号控制包括1个带自动关闭的计数器基PWM

　　

　　图6　数字电流模式控制在标准定时器基PWM外设上增加1个电压比较器和1个DAC

　　带专用外设的数字信号控制器（DSC）可以实现数字开关电源的电流模式控制。用DSC实现开关电源设计中的电流模式控制有很多可能的方法。在数字电流模式方法中，关链是采用带片上PWM外设（图5）的DSC。两个混合信号元件（电压比较器和DAC）加到标准的定时器基PWM外设上（图6）。电压比较器提供1个关闭信号到PWM模块，同时此信号选通占空比计数器。当占空比计数器达到零时，比较器输出可驱动PWM输出到零。DAC接收来自DSC的输入信号并产生参考信号到比较器。当系统集成到数字开关电源中时，PWM模块中的计数器启动PWM脉冲，ADC产生1个电压到比较器的倒相输入（这相当于电感器所希望电流），电流反馈馈入比较器的非倒相输入。占空比计数器随电感器中的电流继续计数完。若电感器电流首先达到所希望的电平，则比较器终止脉冲、电感器开始放电到输出电容器。若PWM计数器首先达到规定的占空比值，则终止PWM脉冲。这种方法两个最好的好处是：快速电流模式反馈，这不需要高MIPS处理器；为电流限制设置最大占空比的能力。