實現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源

在研究數(shù)字電源轉(zhuǎn)換設(shè)計時，設(shè)計人員還必須考慮為控制電路和DSC本身供電的輔助電源。圖2中的DSC支持單輸入電壓并且具備必需的電源管理功能，從而簡化了輔助電源電路，提高了可靠性。

在諸如AC至DC轉(zhuǎn)換器的某些應(yīng)用中，器件可執(zhí)行AC至DC轉(zhuǎn)換控制以及諸如功率因數(shù)校正(PFC)等功能。支持增加諸如PFC等功能的數(shù)字PWM功能模塊是PWM互補輸出對的獨立時基。通過使用“備用”PWM信號和運行在DSC上的軟件即可實現(xiàn)上述功能，無需外部PFC芯片，從而進(jìn)一步增加了電源的可靠性。

實現(xiàn)數(shù)字回路

典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)字控制回路示例將說明DSC或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇會對設(shè)計產(chǎn)生怎樣的影響。圖3顯示了一個同步降壓轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)構(gòu)之所以稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器是因為晶體管Q2的開關(guān)與主開關(guān)Q1同步。同步降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計理念是將MOSFET用作與標(biāo)準(zhǔn)整流器相比具有極低正向壓降的整流器。當(dāng)二極管的電壓下降時，降壓轉(zhuǎn)換器的整體效率將會提高。同步整流器(MOSFET Q2)還需要一個與主PWM信號互補的PWM信號。Q2會在Q1關(guān)斷時導(dǎo)通，反之亦然。這種PWM形式被稱為“互補的PWM”模式。
 
圖3   同步降壓轉(zhuǎn)換器
 
圖4   SMPS控制系統(tǒng)示例

圖4描繪了一個SMPS控制回路示例。最需要注意的是圖中的每個模塊都有相關(guān)的延時。采樣/保持電路通常每2到10微秒采樣一次，且ADC需要約500納秒將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

比例-積分-微分(PID)控制器是運行在DSC上的一個程序，其計算延時約為1至2微秒。該控制器的輸出被轉(zhuǎn)換為一個PWM信號，由該信號驅(qū)動開關(guān)電路。若在設(shè)定新的占空比后，PWM發(fā)生器不能立即更新其輸出，就會引入相當(dāng)大的延時。此外，根據(jù)所用的器件和電路的設(shè)計，晶體管驅(qū)動器和相關(guān)晶體管引入的延時在50納秒到1微秒。輸出濾波器通常由電感和電容電路構(gòu)成，同樣會導(dǎo)致較大的延時。

與模擬反饋信號轉(zhuǎn)換、處理器的數(shù)字計算以及數(shù)字PWM信號輸出給功率晶體管的延時相關(guān)的所有延時都被加到采樣速率延時。主控制回路的有效采樣頻率是控制器延時和采樣延時的倒數(shù)。在本示例中，控制延時是4.1微秒，因此采樣速率大約為244 kHz。

控制器帶寬是控制器的有效采樣速率與過采樣比之商。一般來說，回路穩(wěn)定工作要求6至10倍的過采樣。在本示例中，需要6倍的過采樣比來實現(xiàn)所需的回路性能。估計控制器帶寬為40 kHz。在控制算法中加入前饋控制項可提升控制器的性能，使其性能超越帶寬為40 kHz的傳統(tǒng)PID控制器。

了解了這么一個示例以后，讓我們看看采用這樣的基本回路如何達(dá)到電源應(yīng)用的某些架構(gòu)需求。要防止PWM信號的波動對控制器產(chǎn)生影響，要求PWM重載頻率應(yīng)至少比DSC帶寬高4或5倍。本示例中兩者的比為10:1，這樣就要求將PWM頻率設(shè)置為400 kHz。一旦設(shè)置了PWM重載頻率，就可據(jù)此確定PWM分辨率。

許多供應(yīng)商和客戶均對“PWM分辨率”這一術(shù)語感到困惑。PWM分辨率并非指特定計數(shù)器的寬度，而是指在一個PWM周期內(nèi)的計數(shù)值(可能的最小PWM時間片段)。在電源行業(yè)中，PWM分辨率指定為一個PWM周期中可達(dá)到的最小時間增量，通常單位為納秒。如果DSC的數(shù)字PWM模塊不具有足夠的分辨率，控制系統(tǒng)(硬件或軟件)將會使用dither(擾動)處理方法對輸出進(jìn)行調(diào)整以實現(xiàn)期望的平均輸出。在電源應(yīng)用中，PWM擾動會導(dǎo)致電流紋波問題并使控制進(jìn)入不理想的“極限循環(huán)”工作模式。

PWM分辨率 = PWM計數(shù)器頻率 / PWM頻率

已經(jīng)為設(shè)計選擇好了PWM頻率，還必須確定所需的PWM分辨率。本示例要求約11位的分辨率，因此PWM時鐘必須工作在約1 GHz的頻率下。

控制算法由SMPS軟件實現(xiàn)，其中的核心就是PID循環(huán)。PID軟件通常比較小，只有1到2頁的代碼，但其執(zhí)行速率非常高，通常每秒可以進(jìn)行幾十萬次迭代！

這樣高的迭代速率要求PID軟件程序必須足夠高效以使性能最佳。匯編器提供了確保“代碼緊湊”的好方法。 

PID軟件的執(zhí)行時間確定了兩個系統(tǒng)性能指標(biāo)：
1.  PID迭代速率，由它確定控制回路更新之間的時間。
2.  PID執(zhí)行時間，是反饋采樣和PWM更新之間的關(guān)鍵路徑。

ADC以固定的時間間隔中斷，供DSC執(zhí)行PID控制循環(huán)。任何可在“閑置循環(huán)”內(nèi)執(zhí)行的系統(tǒng)函數(shù)均應(yīng)在PID控制軟件循環(huán)外執(zhí)行。諸如升壓/降壓、錯誤檢測和前饋計算等函數(shù)，以及通信支持程序均可在閑置循環(huán)內(nèi)執(zhí)行。任何其他由中斷驅(qū)動的進(jìn)程(比如通信)的優(yōu)先級必須低于PID循環(huán)。

設(shè)計數(shù)字電源轉(zhuǎn)換軟件時可遵循如下指導(dǎo)方針：

.推薦采用匯編語言編寫執(zhí)行速率極快的內(nèi)部PID循環(huán)
.PID執(zhí)行時間會影響穩(wěn)定性
.PID迭代速率會影響穩(wěn)定性
.PID處理器的負(fù)載不超過其額定值的66%
.在閑置循環(huán)中執(zhí)行“輔助函數(shù)”。

數(shù)字電源轉(zhuǎn)換需要某些獨特的ADC采樣功能，來實現(xiàn)不需要過多處理功能的實際應(yīng)用。系統(tǒng)中實現(xiàn)了一個控制回路，DSC在該回路中通過PWM狀態(tài)驅(qū)動被采樣的信號。系統(tǒng)了解何時采樣感興趣的信號以提供最多的信息。圖5說明了在PWM驅(qū)動信號的精確位置觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的重要性。
 
圖5   異步ADC采樣示例

要使電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的設(shè)計成本最低，最好是能夠?qū)ο到y(tǒng)中接近地電位的位置測量電壓和/或電流。這樣省去了處理直接監(jiān)視通過電感“L”的電流所需的大共模電壓的電路，從而降低了成本和復(fù)雜性。 

在本例中，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時電感電流流經(jīng)晶體管。應(yīng)當(dāng)測量晶體管關(guān)斷時的瞬態(tài)峰值電流。如果用戶無法在正確的時候捕捉電流采樣(比如采樣延時)，晶體管將處于“關(guān)斷”狀態(tài)。若在晶體管關(guān)斷時采樣，因為沒有電流流經(jīng)檢測電阻“R”，因而測量不到電流。采樣延時比測得不良數(shù)據(jù)更糟糕——因為根本就沒有數(shù)據(jù)！