数字电源将替代超越模拟电源

数字电源将替代超越模拟电源

本文为您介绍替代传统模拟控制的数字电源技术：数字电源具有超过模拟方案的巨大优势，不仅在性能方面(效率、瞬态响应、稳定性等)，而且在上市时间和总拥有成本方面也同样如此。数字电源正在彻底改变电源的设计方法和实现方式。

 

基本概况

 

Intersil用于DC/DC电源转换的ZL2008第二代自适应数字化电源控制器是一款业界领先的数字电源控制器。它适用于非隔离式降压、升压、降压-升压和隔离式单管正激或反激式转换器。在6mm×6mm QFN封装(图1)内是一个先进的电源控制器，集成了电源转换控制、电源管理、故障管理和遥测功能。此外，还包含一个集成的微控制器，可以运行复杂的算法，可以适应超越模拟方案性能的运行。它代表了高性价比的数字电源的最新技术。基本规格见表1。

 

数字电源架构与模拟架构的对比

 

图2显示了电源转换控制架构从模拟(a)到现代数字控制(c)的进展。模拟PWM控制器通过使用一个斜坡误差信号来产生比例占空比。该误差信号利用电阻和电容网络进行补偿，以修改信号来稳定控制回路。

 

在数字电源中最早尝试(图2b)的比例占空比是通过一个数字计数器(DPWM)生成的，其计数是由数字信号处理器决定的。虽然这种方法在数字实现方面非常强大，但事实证明这种方法过于昂贵，对于大多数实际应用来说需要太多的静态电流。

 

在现代数字电源控制(图2c)当中，占空比仍然是由一个数字计数器生成的，但是现在的计数器是由数字状态机控制的。这个状态机是专门为电源控制器(而不是一般功能的DSP)设计的，所以这个解决方案更符合成本效益，且需要较少的静态电流。

 

图2c的架构采用了比例、积分、微分(PID)补偿器来稳定电源，而不需要一个完整的DSP来补偿电源。误差电压的3个要素，误差的比例、误差的积分和误差的微分结合了相对比重，以实现稳定的运行。

 

请注意，在架构方面数字电源胜过模拟电源具备的一些优势：数字控制无需外部元件进行补偿。这不仅减少了元件数量，而且可以轻而易举地改变补偿，包括随时改变，甚至随负载变化进行适应性改变。

 

典型的情况是没有数字控制器的外部分压器。内部参考可以缩放，因此无需使用外部分压器。这显然减少了元件数量，而且还有助于在工厂精确校准控制器，这样用户就可以受益于高精度，而无需使用昂贵的用于分压的精密电阻。

 

数字架构可以简便地采用数字通信，这样的操作可以进行配置、控制，且在几乎没有外部元件的条件下进行监测。

 

一种数字电源控制器

 

图3显示了现代数字电源控制器的基本架构。在该架构中，输出电压用一个差分放大器来检测。这个模拟信号与参考进行比较，生成个误差信号。该误差信号被数字化(ADC)，结果通过一个数字补偿网络进行处理，这将在本文稍后的部分中予以描述。数字补偿的输出是一个占空比命令，它设定了数字PWM的持续时间。然后，数字PWM控制就可以FET驱动器，开关电源。

 

输出电压、输入电压、输出电流、温度都可以使用一个辅助模拟数字转换器(ADC)进行检测，ADC可复用到各个检测点。

 

配置可以利用引脚跨接、电阻器配置，或通过I2C接口的命令的方式实现。该电源可通过引脚或I2C接口进行控制。配置、操作和环境条件的监测是通过I2C接口实现的。

 

优势

 

1. 更高水平的集成

图4显示了一个模拟PWM和数字PWM的典型应用原理图。尽管这两个控制器共享相同数量的功率传送(power train)元件(功率FET、电感器、输入和输出电容)，模拟控制器仍需要更多的外部元件。这是因为数字控制器集成了许多功能和特性，而这些功能和特性没有集成在模拟控制器内。如图所示，数字控制器减少了十几个元件。在实际实现中，数字控制器已被证明，在中高度复杂设计中可以减少多达60％的外部元件。

 

2. 稳定性

图5显示了一个典型的电源转换电路。该电源转换器包括一个带有固定调制增益Gfix的PWM控制器、高侧和低侧开关，输出级包含一个电感器和一个或多个电容，一个负载，以及反馈或控制回路。在这种情况下，反馈控制显示为Type 3(或III)放大器，但可以是任何反馈控制器。控制回路的用途是将输出与一个已知参考、VR进行比较，并调整PWM信号来纠正输出和参考之间的差额。

 

除了减少元件数量方面的优势之外，数字化还提供了进一步的优势，即集成的元件值可表示为存储在数字寄存器中的值。这有助于根据设计的不同方便地改变这些值，甚至随时改变，或适应不断变化的条件。

 

控制系统做出的任何改变都会对系统引入一种干扰。为实现一个强大而实用的系统，在这种干扰存在的条件下系统必须保持稳定。事实上，它必须在存在一大堆干扰的条件下保持稳定，包括输入电压变化、负载变化，甚至温度变化等等。

 

我们可以通过反馈路径增益如何接近-1来描述系统的稳定性。也就是说，在增益接近-1的条件下，反馈有多接近。由于相对于输出，反馈有一个幅度(增益)和相位，我们可以用增益裕度和相位裕度来表达稳定性，这里的增益裕度是在相位为180度时，测得的相对于单位增益的增益大小有多大，以及在增益为单位增益时，相位裕度是如何接近相对于180度的相位。

 

相位裕度和增益裕度可以通过奈奎斯特(Nyquist)图或波特(Bode)图来确定。由于波特图有一个容易读取的频率范围，因此是一个方便的工具，这将在本文中使用。

 

如果没有反馈，图5所示系统的简化传递函数可以表示为：

 

其中：

ωesr是输出电容esr产生的零点，ωn是输出级的固有频率，Q是输出级的品质因数。

 

为达到本文的目的，我们将忽略电容esr零点的贡献，并重点关注传递函数的其余极点。也就是说，让我们来重点关注传递函数：

 

这个方程有两个极点。对于Q<0.5(阻尼情况下)，两个极点都是实数。对于Q>0.5(欠阻尼情况下)，两极为复共轭。