電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中數(shù)字反饋回路的益處

　　市場(chǎng)因素正在推動(dòng)智能電源的發(fā)展，包括電源的外部控制和生產(chǎn)中的軟件配置。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的方法之一就是在電源轉(zhuǎn)換回路中采用數(shù)字反饋控制。電源設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在智能電源中采用了單片機(jī)（MCU）來(lái)實(shí)現(xiàn)通信、監(jiān)視、控制和諸如上電時(shí)序、軟啟動(dòng)和拓?fù)淇刂频却_定性功能。但是，就在不久前，由于沒(méi)有合適的兼具成本效率的技術(shù)，對(duì)電源轉(zhuǎn)換回路進(jìn)行完全的數(shù)字控制仍不可能。包含專用外設(shè)的數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）的出現(xiàn)才使得完全的數(shù)字控制成為可能。

DSC使能數(shù)字反饋回路

　　設(shè)計(jì)人員常常會(huì)問(wèn)，有這么多廉價(jià)的專用模擬脈寬調(diào)制（PWM）控制器，為什么要選擇使用DSC來(lái)進(jìn)行數(shù)字反饋控制呢？DSC提供新的控制方法和電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，而這些方法和拓?fù)涫遣捎脗鹘y(tǒng)的模擬電源轉(zhuǎn)換控制器無(wú)法或根本不可能實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)行期間可根據(jù)輸入或負(fù)載條件的變化改變工作模式（電壓或電流）連續(xù)或不連續(xù)。DSC中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制回路利用了閃存技術(shù)，允許利用標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，針對(duì)不同用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和校準(zhǔn)，從而降低了庫(kù)存和NRE成本并縮短了上市時(shí)間。

　　圖1所示功能框圖描繪了一個(gè)基于典型DSC架構(gòu)的同步降壓轉(zhuǎn)換器SMPS控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將快速的算術(shù)運(yùn)算和基于計(jì)數(shù)器的PWM模塊等控制外設(shè)，與模擬比較器的反饋和與其協(xié)同工作的ADC采樣相結(jié)合。

數(shù)字反饋回路的優(yōu)點(diǎn)

　　DSC的數(shù)字特性消除了典型設(shè)計(jì)中的溫漂和大量模擬元件的變化，因而可使系統(tǒng)誤差最小，繼而也降低了變壓器和電感等元件的尺寸和成本。如果產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)變化的環(huán)境，則必須能在運(yùn)行時(shí)重新配置DSC的參數(shù)。采用模擬設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能。

　　一個(gè)DSC可取代多個(gè)模擬控制器（如PFC和DC/DC），前提是電源轉(zhuǎn)換級(jí)之間緊密協(xié)調(diào)或?qū)Χ鄠€(gè)輸出進(jìn)行獨(dú)立的電源控制。執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立電源控制回路的能力較傳統(tǒng)控制器，能提供更精確的輸出調(diào)節(jié)。

　　適應(yīng)性很強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要具備執(zhí)行多個(gè)控制回路的能力。以采用模擬控制器實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)多相降壓轉(zhuǎn)換器為例。相與相之間的關(guān)系在設(shè)計(jì)時(shí)固定，而且特定電壓下的功能也是固定的。運(yùn)用DSC采用數(shù)字控制回路實(shí)現(xiàn)同樣的多相降壓轉(zhuǎn)換器后，相與相之間的關(guān)系可以隨時(shí)改變來(lái)滿足變化的負(fù)載條件。在負(fù)載下降時(shí)，可以禁止一相來(lái)減少開關(guān)損耗，而其余相可繼續(xù)工作在連續(xù)電流模式下。這與現(xiàn)代的V8引擎在馬力需求降低時(shí)停止汽缸運(yùn)動(dòng)非常相似。

　　現(xiàn)在以這個(gè)采用數(shù)字控制的多相降壓轉(zhuǎn)換器為例，假設(shè)客戶可能不需要100安培條件下的1.8V輸出，而需要4相輸出(例如：1.2V @ 20A、1.8V@ 20A、2.5V @ 15 A和3.3V @ 10A)?？梢院芊奖愕卣{(diào)節(jié)數(shù)字控制器以使PWM相互關(guān)聯(lián)或相互獨(dú)立。用修改過(guò)的參數(shù)來(lái)更新DSC閃存可使基本的電源轉(zhuǎn)換電路提供不同的功能。

　　DSC讓電源設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)新的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浜涂刂撇呗裕@些拓?fù)浜筒呗允遣捎矛F(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)模擬PWM控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，除非愿意等待模擬器件供應(yīng)商設(shè)計(jì)并銷售滿足需求的控制器。

　　模擬PWM控制器需要電阻和多個(gè)引腳來(lái)設(shè)置選項(xiàng)；而DSC使用代碼使芯片更小。模擬PWM僅提供了少數(shù)選項(xiàng)，而DSC則能夠完全重新配置。此外，模擬PWM通常會(huì)在上電時(shí)鎖定到一種工作模式，而DSC則可以動(dòng)態(tài)重新配置以應(yīng)對(duì)變化的條件。

　　如果產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)變化的需求，就需要對(duì)DSC重新編程。而在模擬設(shè)計(jì)中，需要丟棄舊模塊而用一個(gè)新的來(lái)替代。通過(guò)片內(nèi)閃存，DSC可以簡(jiǎn)化電源的生產(chǎn)裝配線——可根據(jù)客戶的電壓和/或電流要求對(duì)一個(gè)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行配置?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)閃存進(jìn)行編程來(lái)執(zhí)行電源的調(diào)整和校準(zhǔn)， 從而無(wú)需調(diào)節(jié)電位器或?qū)﹄娮柚颠M(jìn)行激光調(diào)節(jié)。

數(shù)字控制的其他優(yōu)點(diǎn)

　　采用DSC實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源控制器，可向系統(tǒng)添加很多額外的功能，而不會(huì)增加系統(tǒng)成本。

　　如果產(chǎn)品要求在系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)，協(xié)調(diào)多路輸出電壓，DSC可以提供這樣的功能而不會(huì)增加成本。相反，在系統(tǒng)中部署模擬的電源時(shí)序和跟蹤器件將會(huì)非常昂貴。在故障條件下，許多產(chǎn)品要求協(xié)調(diào)多路輸出電壓。這是因?yàn)?，如果一路輸出電壓發(fā)生故障，則通常必須降低或關(guān)斷其他輸出電壓以防止負(fù)載電路（如主板）進(jìn)入“栓鎖”狀態(tài)。

　　如果設(shè)計(jì)要求電源轉(zhuǎn)換過(guò)程與外部事件或其他器件同步，DSC也能在不增加成本的情況下提供這種功能。具有這種功能的標(biāo)準(zhǔn)模擬PWM控制器比普通的模擬PWM控制器要貴得多。此外，還可以將多個(gè)DSC組成菊花鏈，以提供更多相互協(xié)調(diào)的資源。

　　在特定的應(yīng)用中，需要比較和監(jiān)視傳感器的信息，比如那些在風(fēng)扇控制和故障檢測(cè)以及溫度監(jiān)視中使用的傳感器。DSC可利用那些不被數(shù)字控制回路使用的處理器資源來(lái)執(zhí)行這些額外的任務(wù)。

　　在電信和其他重要應(yīng)用中，系統(tǒng)電源通常由多個(gè)獨(dú)立的電源模塊實(shí)現(xiàn)，這些模塊所提供的總電源超過(guò)了系統(tǒng)的需求。這樣做能夠保證在某一電源模塊出現(xiàn)故障時(shí)，剩下的電源模塊能繼續(xù)為系統(tǒng)供電。這些電源模塊用導(dǎo)線連接在一起，這會(huì)強(qiáng)制每個(gè)電源模塊平均地輸出所需總電源的份額。（這稱為“負(fù)載均衡”。）DSC能在不增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。事實(shí)上，模擬的負(fù)載均衡接口器件比許多模擬PWM控制器都昂貴。

　　與“負(fù)載均衡”相關(guān)的一個(gè)功能稱作“熱插拔”。當(dāng)負(fù)載均衡應(yīng)用中的一個(gè)電源模塊發(fā)生了故障，用戶往往希望技術(shù)服務(wù)人員能在系統(tǒng)仍在運(yùn)行的情況下將壞的電源模塊換成新的。熱插拔要求電源模塊能以受控的方式禁止和使能自身，并控制其行為以不干擾其他電源模塊的工作。采用模擬器件實(shí)現(xiàn)“熱插拔”功能會(huì)非常昂貴。

　　如果系統(tǒng)已經(jīng)要求微處理器來(lái)執(zhí)行其他任務(wù)，則DSC在控制電源的同時(shí)，也能執(zhí)行這些任務(wù)，因此減少了元件數(shù)，降低了成本。

　　如果系統(tǒng)需要錯(cuò)誤記錄或通信功能，DSC能夠提供這樣的功能，而模擬控制器是不可能提供的。DSC使電源設(shè)計(jì)人員可以測(cè)量諸如功率和效率等復(fù)雜物理量。并且，DSC能使用這些信息來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員使其響應(yīng)特性適應(yīng)任何變化的負(fù)載條件。

　　數(shù)字回路控制還有一個(gè)潛在特性，由于修訂工作能通過(guò)軟件完成，因而在新產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程中無(wú)需采用昂貴的多層電路板，從而節(jié)約時(shí)間和成本。通過(guò)加載用于電路板測(cè)試的易用測(cè)試軟件或在單一硬件之上定制多個(gè)產(chǎn)品，能進(jìn)一步降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

數(shù)字回路控制的注意事項(xiàng)

　　對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和MCU編程等課題進(jìn)行學(xué)習(xí)可能是一個(gè)必經(jīng)的過(guò)程，特別是對(duì)于慣于采用分立式模擬電源解決方案的設(shè)計(jì)人員。幸運(yùn)的是，我們提供軟件工具、參考設(shè)計(jì)和軟件庫(kù)，這些可簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)的過(guò)程。為特定的應(yīng)用選擇合適的DSC對(duì)設(shè)計(jì)成功與否至關(guān)重要，對(duì)所需的DSC功能進(jìn)行仔細(xì)的考慮，是很重要的一步。為一個(gè)應(yīng)用選擇DSC要考慮的關(guān)鍵因素是要確保片內(nèi)PWM模塊能為電源設(shè)計(jì)提供足夠的分辨率。DSC的片內(nèi)ADC的分辨率和速度向系統(tǒng)提供輸入到控制回路的狀態(tài)信息（反饋），因此ADC也應(yīng)具備足夠的分辨率。因此，所選擇的DSC應(yīng)帶有適合電源應(yīng)用的片內(nèi)PWM和ADC。

　　所選的DSC還應(yīng)帶有模擬比較器。這是因?yàn)锳DC能持續(xù)監(jiān)視信號(hào)并以不超過(guò)其最大采樣速率（單位為每秒兆次采樣（MSPS）的速度進(jìn)行采樣。但是，如果被監(jiān)視的信號(hào)僅需與一個(gè)固定的限定值進(jìn)行比較，單單采用帶有ADC的DSC對(duì)處理資源是一種浪費(fèi)。片內(nèi)模擬比較器釋放了處理器和ADC，使之能執(zhí)行其他更有價(jià)值的任務(wù)，同時(shí)仍允許選擇的DSC支持快速電源故障處理和限流功能。

　　正確的選擇以控制器為核心的DSC（如圖2中的示例）可簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)控制算法的任務(wù)。通常，數(shù)字控制回路是以比例-積分-微分（PID）算法實(shí)現(xiàn)的。但是，不需要復(fù)雜的DSP編程技術(shù)來(lái)處理以控制器為核心的DSC的DSP功能。

　　現(xiàn)代的DSC還能提供監(jiān)控功能，比如能在軟件或硬件發(fā)生故障時(shí)復(fù)位系統(tǒng)軟件和硬件的看門狗定時(shí)器（WDT）。 WDT通過(guò)使數(shù)字控制系統(tǒng)復(fù)位或至少進(jìn)入安全狀態(tài)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

結(jié)論

　　本文討論了數(shù)字反饋回路為電源設(shè)計(jì)人員及其設(shè)計(jì)所帶來(lái)的好處。模擬PWM控制器基本上是無(wú)功器件（某些控制器具有某種限制前饋的功能）。這意味著它們不可能在條件大幅變化的情況下提供較好的性能。相反，在電源中實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋回路允許模擬電源轉(zhuǎn)換過(guò)程和負(fù)載變化過(guò)程。這提供了很多益處，比如，增強(qiáng)了可靠性，減少了元件數(shù)，能提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)以及動(dòng)態(tài)改變拓?fù)浜蛷膯蜗噍敵銮袚Q到多相輸出。而且，還允許通過(guò)軟件而不是硬件在生產(chǎn)完成前對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行定制。