電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中數(shù)字反饋回路的益處

　　市場因素正在推動智能電源的發(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)計人員已經(jīng)在智能電源中采用了單片機（MCU）來實現(xiàn)通信、監(jiān)視、控制和諸如上電時序、軟啟動和拓撲控制等確定性功能。但是，就在不久前，由于沒有合適的兼具成本效率的技術(shù)，對電源轉(zhuǎn)換回路進行完全的數(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)計人員常常會問，有這么多廉價的專用模擬脈寬調(diào)制（PWM）控制器，為什么要選擇使用DSC來進行數(shù)字反饋控制呢？DSC提供新的控制方法和電源轉(zhuǎn)換拓撲，而這些方法和拓撲是采用傳統(tǒng)的模擬電源轉(zhuǎn)換控制器無法或根本不可能實現(xiàn)的。在運行期間可根據(jù)輸入或負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)平臺設(shè)計，針對不同用戶對系統(tǒng)進行配置和校準(zhǔn)，從而降低了庫存和NRE成本并縮短了上市時間。

　　圖1所示功能框圖描繪了一個基于典型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)運算和基于計數(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

　　DSC的數(shù)字特性消除了典型設(shè)計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)計能夠適應(yīng)變化的環(huán)境，則必須能在運行時重新配置DSC的參數(shù)。采用模擬設(shè)計無法實現(xiàn)這一功能。

　　一個DSC可取代多個模擬控制器（如PFC和DC/DC），前提是電源轉(zhuǎn)換級之間緊密協(xié)調(diào)或?qū)Χ鄠€輸出進行獨立的電源控制。執(zhí)行多個獨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)性很強的系統(tǒng)設(shè)計也需要具備執(zhí)行多個控制回路的能力。以采用模擬控制器實現(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)計時固定，而且特定電壓下的功能也是固定的。運用DSC采用數(shù)字控制回路實現(xiàn)同樣的多相降壓轉(zhuǎn)換器后，相與相之間的關(guān)系可以隨時改變來滿足變化的負載條件。在負載下降時，可以禁止一相來減少開關(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停止汽缸運動非常相似。

　　現(xiàn)在以這個采用數(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)。可以很方便地調(diào)節(jié)數(shù)字控制器以使PWM相互關(guān)聯(lián)或相互獨立。用修改過的參數(shù)來更新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)計人員能夠開發(fā)新的電源轉(zhuǎn)換拓撲和控制策略，而這些拓撲和策略是采用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)模擬PWM控制器無法實現(xiàn)的，除非愿意等待模擬器件供應(yīng)商設(shè)計并銷售滿足需求的控制器。

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

　　如果產(chǎn)品要求設(shè)計能夠適應(yīng)變化的需求，就需要對DSC重新編程。而在模擬設(shè)計中，需要丟棄舊模塊而用一個新的來替代。通過片內(nèi)閃存，DSC可以簡化電源的生產(chǎn)裝配線——可根據(jù)客戶的電壓和/或電流要求對一個硬件設(shè)計進行配置?？梢酝ㄟ^對閃存進行編程來執(zhí)行電源的調(diào)整和校準(zhǔn)， 從而無需調(diào)節(jié)電位器或?qū)﹄娮柚颠M行激光調(diào)節(jié)。

數(shù)字控制的其他優(yōu)點

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

　　如果產(chǎn)品要求在系統(tǒng)啟動和關(guān)斷時，協(xié)調(diào)多路輸出電壓，DSC可以提供這樣的功能而不會增加成本。相反，在系統(tǒng)中部署模擬的電源時序和跟蹤器件將會非常昂貴。在故障條件下，許多產(chǎn)品要求協(xié)調(diào)多路輸出電壓。這是因為，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載電路（如主板）進入“栓鎖”狀態(tài)。

　　如果設(shè)計要求電源轉(zhuǎn)換過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)電源通常由多個獨立的電源模塊實現(xiàn)，這些模塊所提供的總電源超過了系統(tǒng)的需求。這樣做能夠保證在某一電源模塊出現(xiàn)故障時，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，這會強制每個電源模塊平均地輸出所需總電源的份額。（這稱為“負載均衡”。）DSC能在不增加成本的情況下實現(xiàn)負載均衡。事實上，模擬的負載均衡接口器件比許多模擬PWM控制器都昂貴。

　　與“負載均衡”相關(guān)的一個功能稱作“熱插拔”。當(dāng)負載均衡應(yīng)用中的一個電源模塊發(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。采用模擬器件實現(xiàn)“熱插拔”功能會非常昂貴。

　　如果系統(tǒng)已經(jīng)要求微處理器來執(zhí)行其他任務(wù)，則DSC在控制電源的同時，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)計人員可以測量諸如功率和效率等復(fù)雜物理量。并且，DSC能使用這些信息來幫助設(shè)計人員使其響應(yīng)特性適應(yīng)任何變化的負載條件。

　　數(shù)字回路控制還有一個潛在特性，由于修訂工作能通過軟件完成，因而在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中無需采用昂貴的多層電路板，從而節(jié)約時間和成本。通過加載用于電路板測試的易用測試軟件或在單一硬件之上定制多個產(chǎn)品，能進一步降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

數(shù)字回路控制的注意事項

　　對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和MCU編程等課題進行學(xué)習(xí)可能是一個必經(jīng)的過程，特別是對于慣于采用分立式模擬電源解決方案的設(shè)計人員。幸運的是，我們提供軟件工具、參考設(shè)計和軟件庫，這些可簡化學(xué)習(xí)的過程。為特定的應(yīng)用選擇合適的DSC對設(shè)計成功與否至關(guān)重要，對所需的DSC功能進行仔細的考慮，是很重要的一步。為一個應(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。這是因為ADC能持續(xù)監(jiān)視信號并以不超過其最大采樣速率（單位為每秒兆次采樣（MSPS）的速度進行采樣。但是，如果被監(jiān)視的信號僅需與一個固定的限定值進行比較，單單采用帶有ADC的DSC對處理資源是一種浪費。片內(nèi)模擬比較器釋放了處理器和ADC，使之能執(zhí)行其他更有價值的任務(wù)，同時仍允許選擇的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）可簡化實現(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）算法實現(xiàn)的。但是，不需要復(fù)雜的DSP編程技術(shù)來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)生故障時復(fù)位系統(tǒng)軟件和硬件的看門狗定時器（WDT）。 WDT通過使數(shù)字控制系統(tǒng)復(fù)位或至少進入安全狀態(tài)，增強了系統(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)計人員及其設(shè)計所帶來的好處。模擬PWM控制器基本上是無功器件（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，在電源中實現(xiàn)數(shù)字反饋回路允許模擬電源轉(zhuǎn)換過程和負載變化過程。這提供了很多益處，比如，增強了可靠性，減少了元件數(shù)，能提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)以及動態(tài)改變拓撲和從單相輸出切換到多相輸出。而且，還允許通過軟件而不是硬件在生產(chǎn)完成前對設(shè)計進行定制。