實(shí)現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源

如圖5所示，異步轉(zhuǎn)換的功能在數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中很重要。在異步轉(zhuǎn)換中，ADC不限于周期性采樣速率。這些應(yīng)用要求采樣點(diǎn)與根據(jù)PWM模塊輸出的驅(qū)動信號設(shè)定的精確位置對齊。采用多個(gè)ADC采樣保持電路同樣很重要，因?yàn)樗鼈兛伸`活地由數(shù)字PWM外設(shè)直接觸發(fā)。由于軟件引入的抖動，通過軟件觸發(fā)(與由數(shù)字PWM觸發(fā)相比)無法產(chǎn)生有用的結(jié)果。通過軟件觸發(fā)的方式還會因執(zhí)行軟件而引入過長的時(shí)間。

模擬比較器提供了直接在數(shù)字控制回路中執(zhí)行所無法獲得的額外好處，這是由于：

.ADC無法連續(xù)監(jiān)視信號。
.ADC的監(jiān)視功能受ADC速度限制。如果ADC花費(fèi)所有的時(shí)間監(jiān)視特定的信號，它將無法監(jiān)視其他任何事務(wù)。
.基于ADC的電流監(jiān)視會延長電流測量和PWM輸出之間的延時(shí)(> 300 ns)。
.模擬比較器使電流測量和PWM輸出之間的延時(shí)約25納秒。
.模擬比較器可監(jiān)視過壓或過流條件，而無需依賴處理器。
.模擬比較器無需下載處理器軟件或ADC，就可執(zhí)行電流模式的控制。

一般來說，用來執(zhí)行限流或數(shù)字PWM信號的故障關(guān)斷功能的模擬比較器對于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)很重要。圖6給出了使用模擬比較器執(zhí)行限流的系統(tǒng)示例。
 
圖6  使用模擬比較器進(jìn)行限流

模擬比較器接入數(shù)字電源系統(tǒng)的方式也很重要。例如，每個(gè)模擬比較器均應(yīng)自帶一個(gè)10位DAC，從而允許用戶控制比較器的閾值。比較器的參考電壓必須精確而穩(wěn)定，且比較器必須具有快速響應(yīng)。

通常，從檢測到模擬電壓到比較器修改PWM輸出的時(shí)間應(yīng)為20納秒左右。限流控制或故障響應(yīng)就是在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行的。這個(gè)響應(yīng)時(shí)間比通過軟件“查詢”技術(shù)可能花費(fèi)的時(shí)間快很多，軟件技術(shù)會使用ADC和處理器軟件來修改PWM輸出，作為對條件變化的響應(yīng)。

復(fù)雜的電源產(chǎn)品和數(shù)字電源轉(zhuǎn)換

將數(shù)字電源轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用到更為復(fù)雜的電源產(chǎn)品會帶來很多好處。例如，圖7給出了一個(gè)AC至DC電源的框圖。
 
圖7   數(shù)字AC至DC電源框圖

圖7中的設(shè)計(jì)被分為三個(gè)主要部分—升壓PFC、隔離的DC至DC轉(zhuǎn)換器和弱電側(cè)的一組低壓DC至DC同步降壓轉(zhuǎn)換器。在PFC電路中，交流輸入電壓被轉(zhuǎn)換為直流電壓并被升至400 V，該電路負(fù)責(zé)使設(shè)計(jì)中的電源線電壓失真降至最小。PFC確保電源線上的電流成正弦波形，與線電壓同相位。

PFC電路輸出的400 VDC總線電壓隨后被饋送給推挽式DC至DC調(diào)制器電路，該電路產(chǎn)生的脈沖電壓可應(yīng)用給變壓器。變壓器隔離交流線路和直流輸出電壓并執(zhí)行從400 VDC到12VDC的電壓轉(zhuǎn)換。然后對變壓器的輸出進(jìn)行整流和濾波。

該設(shè)計(jì)使用“中間總線”架構(gòu)。中間總線電壓為12 VDC，它不直接驅(qū)動負(fù)載而是向一組同步降壓轉(zhuǎn)換器供電。這些轉(zhuǎn)換器將中間電壓轉(zhuǎn)換為最終輸出電壓。

本設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)DSC—一個(gè)控制PFC和推挽式電路，另一個(gè)控制降壓轉(zhuǎn)換器并將信息反饋到強(qiáng)電側(cè)DSC。在系統(tǒng)中放入這兩個(gè)DSC在保持系統(tǒng)兩邊全功能工作的前提下大大降低了隔離的成本和復(fù)雜度。隔離可被限制為隔離用于處理器間串行通信的兩個(gè)數(shù)字信號，能以低廉而可靠的方式實(shí)現(xiàn)。這樣的設(shè)計(jì)消除了對模擬信號進(jìn)行隔離的需要。系統(tǒng)中DSC的價(jià)格應(yīng)足夠低，體積應(yīng)足夠小，從而可在必要時(shí)在一個(gè)設(shè)計(jì)中使用多個(gè)。

目前許多SMPS使用“硬開關(guān)”，其中晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷與施加給晶體管的信號的電流相位和電壓無關(guān)。

在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，電壓和電流同相，因此開關(guān)功率損耗與開關(guān)頻率和時(shí)間直接成正比。這種情況下開關(guān)時(shí)間很可能與實(shí)際所能達(dá)到的時(shí)間一樣短。為進(jìn)一步降低開關(guān)損耗開發(fā)了SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案，以將開關(guān)過程中晶體管電壓相對于其電流的相位進(jìn)行移動。如果開關(guān)過程中電壓或電流為零，則開關(guān)功率損耗為零。

采用“軟開關(guān)”可提高電源的效率、降低其成本并增加可靠性。此外，通過實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)速率，可使用更小的儲能器件和磁性元件，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本和尺寸。通過使用軟開關(guān)，還會降低系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，因而會使儲能器件和磁性元件具有更大的裕量—從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。

訣竅是要以經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這就要求數(shù)字PWM模塊具有支持軟開關(guān)技術(shù)的額外功能。要實(shí)現(xiàn)各種各樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)的開關(guān)技術(shù)，如上述討論的有關(guān)軟開關(guān)的技術(shù)，所選芯片上的數(shù)字PWM應(yīng)相當(dāng)靈活。PWM模塊中針對數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的功能包括下述幾種工作模式所需的功能：

1. 標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)模式是標(biāo)準(zhǔn)的非互補(bǔ)的輸出模式，其中一路或兩路輸出提供相同的PWM波形。
2. 互補(bǔ)?；パa(bǔ)模式在一個(gè)引腳上提供PWM輸出信號，在另一個(gè)引腳上提供與之互補(bǔ)的PWM信號。
3. 推挽。推挽模式在一個(gè)輸出引腳上提供標(biāo)準(zhǔn)PWM信號。在下一個(gè)周期，由另一個(gè)引腳輸出相同的PWM信號，然后這一過程不斷重復(fù)。
4. 多相。多相模式允許多個(gè)PWM發(fā)生器輸出同步的PWM信號，但這些信號之間存在相移。
5. 可變相位?？勺兿辔荒Ｊ脚c多相模式類似，但前者信號間的相位關(guān)系是不斷改變的。
6. 電流復(fù)位。電流復(fù)位模式是一種變頻模式，由用戶指定導(dǎo)通時(shí)間，由外部信號或內(nèi)部模擬比較器截?cái)鄬?dǎo)通時(shí)間使PWM輸出關(guān)斷。
7. 限流。限流模式是標(biāo)準(zhǔn)、互補(bǔ)、推挽、多相和可變相位模式的一種形式，其中模擬比較器或外部信號會逐周期截?cái)鄶?shù)字PWM的導(dǎo)通時(shí)間。

結(jié)語

電源產(chǎn)品中正越來越多地使用數(shù)字電源轉(zhuǎn)換技術(shù)以提高產(chǎn)品的性能、效率和功率密度。本文闡述了設(shè)計(jì)人員可用來達(dá)到這些目標(biāo)的實(shí)用技巧，首先是選擇合適的硬件架構(gòu)。數(shù)字電源設(shè)計(jì)的實(shí)際需求以及如何滿足這些需求是設(shè)計(jì)人員開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)字電源產(chǎn)品的絕對重點(diǎn)。 

使用數(shù)字技術(shù)的重要價(jià)值之一就在于它給予了設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造和保護(hù)新知識產(chǎn)權(quán)(IP)的自由。使用新型靈活的DSC開發(fā)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員正在嘗試使用新的技術(shù)來進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和算法創(chuàng)新。由于新的IP是采用軟件而不是硬件實(shí)現(xiàn)的，因而可得到快速而高效的測試。