多頻技術改進數(shù)字電源轉(zhuǎn)換

數(shù)字電源管理和控制提供實時智能，便于系統(tǒng)開發(fā)人員構(gòu)建電源系統(tǒng)自動適應運行環(huán)境的變化，并優(yōu)化每種特定應用場合的效率。智能數(shù)字電源IC可以自動補償負載和系統(tǒng)溫度的變化，利用自適應死區(qū)時間控制、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、頻移、相數(shù)降低和電流不連續(xù)模式的切換來實現(xiàn)節(jié)能。

數(shù)字電源給人造成費用高的感覺一直是其被快速接受的一個障礙，不過，最新推出的器件正在迅速消除模擬與數(shù)字控制之間的價格差異，例如Intersil的ZL8800。數(shù)字電源效率和成本現(xiàn)在相當于，甚至優(yōu)于模擬電源轉(zhuǎn)換解決方案，同時具有更先進的功能。

最重要的是，脈寬調(diào)制（PWM）、環(huán)路控制和反饋采用數(shù)字化方式。模擬信號采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換之后，微控制器、數(shù)字信號處理器或計算狀態(tài)機可以控制數(shù)字脈寬調(diào)制和反饋回路。這對于維持穩(wěn)定性具有重要優(yōu)勢，不存在模擬控制經(jīng)常出現(xiàn)的響應速度下降問題。

雖然數(shù)字控制具有很多優(yōu)點，但大量廠商并沒有充分利用這種技術所具有的優(yōu)勢，許多情況下，只是核心模擬PWM技術采用數(shù)字形式。數(shù)字控制得以構(gòu)建更加靈活的控制環(huán)路，利用多頻控制調(diào)整每種算法，處理不同速度條件下發(fā)生的事件。

傳統(tǒng)數(shù)字PWM控制器使用均勻采樣?？刂破鞑杉敵鲭妷赫`差樣本，根據(jù)采樣結(jié)果計算下一開關周期所需的占空比。均勻采樣控制器的不足之處是，從誤差采樣到PWM控制器切換電源電路存在時延或群延。群延造成相位滯后，這種滯后隨頻率增加，并限制最大閉環(huán)帶寬。

多頻控制可以提供穩(wěn)定電源，而且?guī)缀蹩梢粤⒓磳﹄妷旱耐蝗蛔兓龀龇磻丛谝粋€PWM開關周期內(nèi)做出相應響應。這種轉(zhuǎn)換架構(gòu)實現(xiàn)這一能力的唯一方法是利用變頻開關技術，在電壓迅速變化時采用更高的頻率采樣和控制。但這種方法對許多系統(tǒng)并不適用?，F(xiàn)代電信設備以及其他嚴格要求電磁兼容性的應用需要在固定頻率下工作，以保持嚴格控制的噪聲頻譜。

另一種方法是采用與誤差電壓偏差呈線性關系的比例增益。采用比例增益的固定頻率控制可以實現(xiàn)單周期反應，但快速響應環(huán)路增益會導致不穩(wěn)。

Intersil開發(fā)的、用于ZL8800雙通道/雙相DC/DC控制器的電荷模式（ChargeMode）技術采用均勻和多頻采樣混合方法，在一個開關周期內(nèi)對誤差進行多次采樣并計算調(diào)制信號。這種技術大大降低了群延，因此支持非常高的工作帶寬。由于縮短了群延，顯著降低了相位滯后。ZL8800還采用雙沿調(diào)制器，在總?cè)貉臃矫鎯?yōu)于與其競爭的‘前沿’調(diào)制器。

圖1顯示ZL8800雙采樣技術。采用其中任一采樣率時，總延遲（tdelay）等于ADC轉(zhuǎn)換延遲和計算延遲之和（包括通道/濾波延遲）。如圖1所示，采用更高頻率NxFsw時鐘時，ZL8800的tdelay明顯低于傳統(tǒng)均勻采樣PWM調(diào)制器。

結(jié)合高頻采樣誤差信號，ChargeMode控制器以新穎的策略消除只采用高環(huán)路增益而產(chǎn)生的不穩(wěn)定。這種策略將變化的影響定位在一個或幾個工作周期。如果占空比變化的影響延伸到下幾個周期，就會產(chǎn)生不穩(wěn)定。數(shù)字控制可保證在一個開關周期中實現(xiàn)占空比的變化來調(diào)整突然發(fā)生的電壓偏離，而不影響下一個或下幾個周期。這種技術稱為“單周期響應”（ASCR）數(shù)字補償。

圖1 – ZL8800數(shù)字PWM調(diào)制補償器框圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)在許多方面類似常規(guī)PWM控制策略中使用的傳統(tǒng)數(shù)字比例-積分-微分 （PID）控制器，但具有明顯差別。圖中顯示補償器如何集成多頻采樣技術。補償器有兩個并行通道，用來處理量化的誤差電壓。其中一個稱為“快速通道”，以高于“慢速通道”的頻率采樣誤差電壓。采用這種新型補償器結(jié)構(gòu)，占空比命令被反饋，以確定快速通道的影響，并在后面的周期中消除快速通道的影響。

圖2 – ASCR數(shù)字補償器

ZL8800補償器結(jié)構(gòu)減小即時誤差采樣以及占空比響應的延遲。這樣可以提升高頻段的相位，從而保證穩(wěn)定性并支持高帶寬設計，如圖3所示。

采用多頻采樣和控制電路，ASCR補償器可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制環(huán)路，只需根據(jù)帶寬規(guī)格進行調(diào)整。在很寬范圍輸出濾波器配置范圍內(nèi)，僅需調(diào)整ASCR增益即可達到所需閉環(huán)工作帶寬。為提高性能，用戶可以控制第二個參數(shù)：余量。這是一個衰減系數(shù)，主要用于設置環(huán)路的響應速率。

圖3 – 高頻段相位提升

傳統(tǒng)多頻采樣技術的潛在缺點是，反饋環(huán)路中會因誤差過采樣產(chǎn)生開關頻率諧波。ZL8800在快速通道中采用低延遲紋波濾波器解決這一問題–全面濾除所有重復紋波分量。剩下的全部為波形中的非周期性分量，包括延時很短或無延時的瞬態(tài)階躍，結(jié)果是20dB以上紋波抑制以及沒有明顯延時從而有助于提高增益和帶寬。

PWM控制只是整體解決方案的一部分。由于數(shù)字控制器采用高度集成的混合信號芯片技術工藝，因此可以集成電源管理和電源轉(zhuǎn)換。

最新一代基站、路由器及其他數(shù)據(jù)通信基礎設施中的先進電源系統(tǒng)，在設計上采用串行電源管理總線（PMBus）傳輸數(shù)字信令。PMBus已成為電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用數(shù)字通信總線通信的標準協(xié)議。采用PMBus和基于PMBus的器件進行電源轉(zhuǎn)換，具有傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)不具備的靈活性和控制能力。即使增加電源，采用PMBus也十分簡便。支持新電軌的數(shù)字電源IC含有自己的SMBus地址，可以添加到系統(tǒng)中，不必由于增加電壓軌重新編程，或增加額外的獨立電源管理IC。在PMBus支持下，新電軌可自動集成到標準監(jiān)控、時序控制、余量微調(diào)和故障檢測機制中。

數(shù)字控制能力可以更進一步提高。例如，Intersil單線數(shù)字直流(DDC)串行總線可以在電源IC之間相互通信，支持復雜的分布式功能，如IC間相位-電流平衡、時序控制和故障擴散等，消除了通常需要大量外置分立器件所構(gòu)成的復雜電源管理功能。

軟件的使用使得甚至可以在PCB組裝之后進行器件編程，極大地方便了原型設計以及半定制子系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試。雖然一些先進電源系統(tǒng)在利用數(shù)字電源管理器件功能的時候，可能需要用戶掌握設置命令和功能的豐富編程和編碼經(jīng)驗，但Intersil為基于ChargeMode技術的器件編寫的PowerNavigator軟件，通過USB接口簡化了對多個DDC器件的配置和監(jiān)控。這個工具利用簡單的圖形用戶界面調(diào)整數(shù)字電源設計的各種特性和功能。通過簡單的拖放界面，用戶可以輕松建立完整的電源管理環(huán)境，不必編寫一行代碼。

因此，通過結(jié)合更加先進的數(shù)字處理、通信和軟件控制，數(shù)字電源可以提供更加高效的電源并且縮短設計周期。