利用數(shù)字反饋環(huán)路自由地定制電源產(chǎn)品

　　電源技術(shù)的進步表明，電源轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的數(shù)字化控制可以幫助設(shè)計師創(chuàng)建具有更高功率密度的精確且可靠的電源，并且成本更低，上市速度更快。這些數(shù)字電源可以在生產(chǎn)過程中的任何時候方便地進行定制，因為全部修改可以用軟件而非硬件實現(xiàn)。

　　在小于100W的直流到直流電源和小于250W的交流到直流電源中模擬反饋電路仍具有很大的意義。然而在高性能、高等級的電源中，電源轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的數(shù)字化控制越來越重要，因為它能克服有時由固定模擬技術(shù)引起的大多數(shù)限制。

　　例如，電容負載可能顯著影響電源的穩(wěn)定性。雖然模擬反饋系統(tǒng)也能處理電容負載，但負載電容的大幅變化可能超過設(shè)計的相位和增益余量。數(shù)字反饋系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它能隨時改變補償方式，能讓反饋環(huán)路實時補償負載特性的更寬范圍變化。

　　轉(zhuǎn)向數(shù)字方式

　　直到最近，數(shù)字反饋系統(tǒng)也很少使用，因為它們非常復雜，所需DSP成本高，而且DSP外設(shè)的功能有限。然而通過培訓，人們能感覺到的復雜性正在逐漸降低，而數(shù)字信號控制器（DSC）的推出也有助于減輕與成本和外設(shè)功能有關(guān)的問題。

　　DSC充分結(jié)合了MCU的外觀和感覺以及DSP的運算和處理能力。CPU設(shè)計采用了通常在DSP中運用的數(shù)學函數(shù)，而外設(shè)的功能和靈活性可以追溯到嵌入式控制器。因此目前的DSC既具有DSP的數(shù)學性能，也保持著靈活性和外設(shè)的復雜對等特性。DSC極大地降低了設(shè)計復雜性，不需要消耗CPU性能就能實現(xiàn)設(shè)計目標。

　　事實上，在這些性能的支持下，使用DSC的設(shè)計確實要比DSP設(shè)計簡單得多，因為許多DSC集成了電源專用的片上外設(shè)。這種外設(shè)包含了基于計數(shù)器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊、模擬比較器和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），因此可以實現(xiàn)基于模擬比較器的反饋環(huán)路和ADC采樣。這些功能再加上單時鐘周期內(nèi)的快速乘法能讓DSC輕易提供電源控制環(huán)路軟件所需的高執(zhí)行速率。

　　DSC的功能和高功率設(shè)計的較低開關(guān)頻率使得具有合適外設(shè)但性能適中的DSC也能輕松處理多個控制環(huán)路。這意味著單顆芯片不僅能提高電源的響應(yīng)特性，還能同時為多個獨立輸出做到這一點。

　　在開始電源設(shè)計前，設(shè)計師必須作出三種基本選擇：

　　1. 設(shè)計采用什么拓撲？

　　2. 采用什么工作模式？

　　3. 采用什么樣的控制方法？

　　拓撲主要取決于設(shè)計的輸入至輸出電壓比。工作模式則取決于拓撲和所要求的輸出電流以及與元件相關(guān)的成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術(shù)以及重要性稍低的器件成本。下面將詳細討論上述每種選擇，并指出使用DSC將如何影響這些選擇。

　　拓撲

　　如上所述，拓撲主要取決于設(shè)計的輸出輸出電壓比。具有較高輸入電壓的設(shè)計通常使用降壓拓撲，而較低輸入電壓的設(shè)計通常采用升壓拓撲。然而，影響拓撲選擇的另外一個因素是具有必備特性的PWM控制器，它要與所選拓撲相兼容。畢竟，如果設(shè)計師不能產(chǎn)生正確的開關(guān)信號，那么開關(guān)模式的電源（SMPS）就不可能實現(xiàn)。

　　這正是DSC的切入點。由于DSC的外設(shè)是可編程的，因此可以產(chǎn)生單相PWM輸出、兩相或三相PWM輸出、半橋驅(qū)動輸出甚至全H-橋驅(qū)動輸出。事實上，由于DSC外設(shè)的可編程性，給定拓撲無需保持不變。

　　為了防止形成直通電流，DSC可能在橋輸出之間采用死區(qū)控制電路。

　　從單相切換到兩相然后再到三相、同時保持相位間的合理相移完全在DSC的能力范圍之內(nèi)。一些DSC甚至包含了橋輸出之間的死區(qū)控制，可用來防止同步開關(guān)設(shè)計中產(chǎn)生直通電流。

　　工作模式

　　下一個要考慮的問題是工作模式。通常模擬設(shè)計工作在連續(xù)電感電流或非連續(xù)電感電流模式。這兩種模式具有各自的獨特優(yōu)勢。非連續(xù)電源模式設(shè)計可以保持穩(wěn)定電壓，即使輸出電流小至零。而連續(xù)設(shè)計使用較小的磁性元件，對輸出電壓紋波有較嚴格的控制。直到最近業(yè)界還無法有效地整合這兩種模式，因為它們有不同的反饋要求。

　　然而，DSC的可編程外設(shè)可以在設(shè)計工作時隨時重配置。這意味著基于DSC的設(shè)計可以在不同工作模式之間切換，當輸出電流足夠大時切換到連續(xù)模式以獲得穩(wěn)定的工作，當輸出電流降到足夠低時再切換到非連續(xù)模式。

　　雖然模擬設(shè)計肯定可以執(zhí)行相同的轉(zhuǎn)換，但它要求兩條反饋路徑（一種模式一條），在轉(zhuǎn)換時會有瞬時的毛刺。因此DSC還有一個額外優(yōu)勢，即只需要一條反饋路徑。由于是基于軟件的反饋技術(shù)，因此可以預加載反饋濾波器的存儲元件，從而避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換毛刺（圖2）。

　　DSC具有改變操作模式的靈活性。

　控制方法

　　最終設(shè)計選擇是在設(shè)計的控制方法方面，是使用電壓模式還是電流模式控制。傳統(tǒng)的模擬SMPS設(shè)計使用這兩種控制技術(shù)之一，最終取決于成本和可用技術(shù)。

　　電壓模式控制是比較老的方法，在大多數(shù)早期的SMPS設(shè)計中經(jīng)常被采用。它使用斜坡發(fā)生器和電壓比較器將來自誤差放大器/環(huán)路濾波器的誤差信號轉(zhuǎn)換為PWM脈沖寬度。簡單的電壓模式控制方法有三個基本局限性。第一，沒有限流機制保護電路元件。第二，它對輸入或輸出瞬變的反應(yīng)很慢。第三，它產(chǎn)生的反饋環(huán)路不穩(wěn)定。

　　電流模式控制是更好和更安全的控制方法，它由雙環(huán)格式組成。內(nèi)部電流環(huán)設(shè)計用于將電感充電到輸出電壓環(huán)路規(guī)定的峰值電流。外環(huán)類似于電壓模式控制的反饋環(huán)路，主要用于監(jiān)視輸出，對反饋進行相位/頻率補償，并調(diào)節(jié)電流環(huán)傳送的能量。

　　因為內(nèi)環(huán)以逐個周期為基礎(chǔ)調(diào)整電感電流，因此電感實際上不會記憶上個脈沖，不會運送前個周期的能量。它還能為晶體管提供峰值電流保護，消除磁性元件中的“棘輪效應(yīng)”，抑制輸入電壓的變化，并提供方便的控制環(huán)路補償。

　　數(shù)字SMPS設(shè)計中電流模式控制的高效實現(xiàn)依賴于使用DSC。DSC具有板上PWM外設(shè)，其工作方式與電流模式PWM發(fā)生器相同（圖3）。不同點在于數(shù)字反饋的輸出。電壓模式設(shè)計使用反饋直接控制PWM的占空比。在電流模式設(shè)計中，DSC的PWM具有基于比較器的脈沖終止功能，可以根據(jù)電流反饋調(diào)節(jié)脈沖寬度，并且數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出由數(shù)字反饋驅(qū)動。

　　電流模式控制是通過計算SMPS設(shè)計要求的PWM頻率和最大占空比、然后用這些參數(shù)配置PWM計數(shù)器實現(xiàn)的。這就設(shè)定了最大的占空比和系統(tǒng)的脈沖頻率。接下來設(shè)計必須調(diào)整參考DAC輸出來處理有望最大范圍的電流反饋信號。這樣做可以在控制PWM占空比時提供最高的分辨率。

　　最后，還必須開發(fā)用于控制和穩(wěn)定系統(tǒng)所需的特殊比例-積分-微分（PID）軟件例程。這個例程必須根據(jù)來自ADC的反饋電壓提供合適的反饋信號來實現(xiàn)穩(wěn)定性能。另外，這個例程必須將這個反饋信號與自己內(nèi)部的數(shù)字參數(shù)進行比較，并輸出理想的電流設(shè)置給產(chǎn)生比較器參考信號的DAC（圖3）。

　　這個SMPS設(shè)計采用的是基于DSC的數(shù)字電流模式控制。

　　數(shù)字環(huán)路控制

　　SMPS設(shè)計使用DSC時需要考慮的一個關(guān)鍵因素是確保板上PWM模塊為電源設(shè)計提供足夠的分辨率。DSC的ADC要向控制環(huán)路提供狀態(tài)（反饋），因此也應(yīng)具有足夠的分辨率。

　　其次，謹慎選擇DSC也很重要，DSC內(nèi)置的模擬比較器必須有足夠快的速度匹配所產(chǎn)生的脈沖寬度。雖然可以用ADC替代比較器用于終止PWM脈沖，但DSC必須連續(xù)監(jiān)視和處理信號。這將浪費它們的處理能力，因為被監(jiān)視信號只與固定限值比較。高速模擬比較器可以解放處理器和ADC，讓它們執(zhí)行其它更高價值的任務(wù)，同時幫助DSC執(zhí)行電源故障和限流功能。

　　此外，DSC中的ADC模塊提供獨立的采樣保持電路是很有用的，能讓DSC以精確的時間同時采樣多個電壓或電流。這樣即使瞬時信號也可以被采樣，并且有助于降低系統(tǒng)成本。如果ADC可以異步采樣就更好了，因為這樣能支持工作在不同頻率的多個控制環(huán)路，如運行在70kHz的功率因素校正（PFC）電路和運行在250kHz的直流直流轉(zhuǎn)換模塊。

　　SMPS設(shè)計中的PID算法
　　利用PID算法，實際電壓與理想輸出電壓之間的比例、積分和微分誤差同時被用來控制PWM占空比。PID算法共有三種基本的形式：

　　1. 串行，或交互；

　　2. 并行，或非交互；

　　3. 理想的并行。

　　電壓和電流模式控制環(huán)路中都可以部署PID算法。另外，DSC不要求復雜的DSP編程技巧，因為它們將DSP功能作為人們熟悉的MCU環(huán)境中的外設(shè)加以提供。

　　占空比超過50%可能會產(chǎn)生電流模式的穩(wěn)定性問題。不過可以通過PID軟件設(shè)定要求的電流等級而輕松地解決這個問題。因此很容易調(diào)整DAC值，并使得數(shù)字化方式實現(xiàn)斜率補償比模擬方式要容易得多，它需要一個與PWM脈沖同步的斜坡發(fā)生器和一個將斜坡與電流反饋相加的求和點。

　　上述技術(shù)將生成基于經(jīng)濟和較低MIPS的DSC的電流模式SMPS設(shè)計，而不是基于運行在1到2BIPS的快速控制器的設(shè)計。例如，Microchip公司提供的dsPIC30F202X DSC就包含有高分辨率數(shù)字PWM發(fā)生器、200萬樣本每秒標稱性能的ADC、與10位參考ADC相連的高速模擬比較器和一個30MIPS、具有DSP功能的控制器（圖4）。

　　像Microchip公司的dsPIC30F202X這種較低MIPS的經(jīng)濟型DSC并非采用運行在1到2BIPS的快速控制器，但它能提供電流模式SMPS設(shè)計的基礎(chǔ)。

　　PID控制環(huán)路是控制軟件的核心（圖5），它以固定時間為基礎(chǔ)在ADC中斷下運行。象電壓上升/下降、誤差檢測、前向反饋計算和通信支持例程等系統(tǒng)功能應(yīng)在？空閑環(huán)路？中執(zhí)行，以便減輕PID控制軟件中不必要的工作負擔。

　　位于軟件核心的是PID控制環(huán)路結(jié)構(gòu)。

　　PID環(huán)路是軟件中對時間最敏感的部分。因此為了確保DSC資源得到高效使用，環(huán)路不應(yīng)使用超過66%的可用處理器帶寬。這樣才能使設(shè)計有足夠的能力處理通信等空閑環(huán)路功能，或支持軟啟動和排序等功能。

　　在基于30MIPS DSC的SMPS應(yīng)用中，這將轉(zhuǎn)換成包含有30條指令的PID環(huán)，執(zhí)行時間約為1μs。按照500kHz（或2μs）的反復速率，PID控制環(huán)路使用一半的可用處理器帶寬，或15MIPS。

　自由創(chuàng)新

　　電源使用數(shù)字反饋控制有許多優(yōu)點。最大的優(yōu)點是它們具有很大的靈活性，可以讓設(shè)計師自由地創(chuàng)新設(shè)計。如上所述，設(shè)計師最關(guān)心的是實現(xiàn)設(shè)計所需技術(shù)的可用性。DSC的優(yōu)點在于其可配置性，它能讓設(shè)計師創(chuàng)建專門針對目標設(shè)計的合適技術(shù)。

　　例如，一個電源可能需要在啟動和關(guān)閉期間協(xié)調(diào)多個輸出電壓，或者在一組獨立的電源轉(zhuǎn)換模塊之間執(zhí)行負載或電流分擔。在這些情況下，數(shù)字反饋控制無需額外成本就能提供這樣的功能。按這些方式使用模擬器件定制電源是相當昂貴。另外一個優(yōu)點是可以隨時對系統(tǒng)作出修改的能力，或叫做熱交換能力。例如，如果電信或其它任務(wù)關(guān)鍵應(yīng)用中的電源模塊發(fā)生了故障，服務(wù)技術(shù)工人可以在系統(tǒng)不間斷工作的情況下用新的電源模塊替換掉有缺陷的電源模塊。這種熱交換功能要是使用模擬器件實現(xiàn)的話將非常昂貴，但如果是受DSC數(shù)字化控制的電源將極具性價比。

　　另外，如果要求電源必須能夠適應(yīng)變化的要求，DSC也能輕松進行再編程。如果是模擬的電源設(shè)計，你必須利用新的模塊重新開始。而且由于采用了片上閃存，DSC可以簡化電源生產(chǎn)組裝線。這意味著單個硬件設(shè)計經(jīng)過配置可以滿足不同用戶的電壓和/或電流要求。

　　另外，通過編程DSC中的閃存可以實現(xiàn)電源的微調(diào)和校準。這種方法不需要微調(diào)管或激光微調(diào)電阻。數(shù)字電源還能加載測試友好的軟件進行電路板測試，或根據(jù)相同的DSC硬件平臺生成多個定制產(chǎn)品。

　　本文小結(jié)

　　總之數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的好處非常多，設(shè)計師可以通過使用帶電源友好型片上外設(shè)的DSC獲得方便高性價比的設(shè)計。數(shù)字電源能讓設(shè)計師自由創(chuàng)新和開發(fā)出更高可靠性、靈活性和瞬態(tài)響應(yīng)的電源，還能在生產(chǎn)后期通過修改固件而不是硬件方便地進行定制