开关电源的数字控制实现方案

虽然业内不少人都以为,模仿和数字技术很快将抢夺电源调理器件控制电路的主导权,但实践状况是,在反应回路控制方面,这两种技术看起来正高兴地共存着。

确实,许多电源管理供给商都提供了不同的计划。一些数字控制最初的可编程优势如今以至在采用模仿反应回路的控制器和稳压器中也有了。当然,数字电源还是有一些吸收人之处。

本文主要讨论脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)和脉冲频率调制(PFM)开关稳压器和控制器IC。其中一些集成了控制实践开关的一个或多个晶体管的驱动器,另一些则没有。还有一些以至集成了开关FET,假如它们提供适宜的负荷的话。因而,数字还是模仿的问题取决于稳压器的控制回路如何闭合。

图1显现了两种最常见的PWM开关拓朴规划的变化,降压和升压(buck/boost)转换器。在同步配置中,第二只晶体管将取代二极管。在某种意义上来讲,脉冲宽度调制的采用使得这些转换器“准数字化”,至少可与基于一个串联旁路元件的723型线性稳压器相比。事实上,PWM使得采用数字控制回路成为可能。不过,图1中的转换器短少控制一个或几个开关占空比的电路,它可在模仿或数字域中完成。

不论采用模仿还是数字技术,都有两种方式完成反应回路:电压形式和电流形式。简单起见,首先思索它在模仿域中如何完成。

图1: 没有控制器的开关形式DC-DC电源非常简单。不管用于升压还是降压,其胜利与否取决于设计者如何布置一些根本的元器件。

在电压形式拓朴中,参考电压减去输出电压样本就可得到一个与振荡器斜坡信号相比拟的小误差信号(图2),当电路输出电压变化时,误差电压也产生变化,后者反过来改动比拟器的门限值。反过来,这将使输出信号宽度发作变化。这些脉冲控制稳压器开关晶体管的导通时间。随着输出电压升高,脉冲宽度将变小。

图2: 电压形式反应(本例中在模仿域)包含一个控制回路。

电流形式控制的一个优势在于其管理电感电流的才能。一个采用电流形式控制的稳压用具有一个嵌套在一个较慢的电压回路中的电流回路。该内回路感应开关晶体管的峰值电流,并经过一个脉冲一个脉冲地控制各晶体管的导通时间,使电流坚持恒定。

与此同时,外回路感应直流输出电压,并向内回路提供一个控制电压。在该电路中,电感电流的斜率生成一个与误差信号相比拟的斜坡。当输出电压下跌时,控制器就向负载提供更大的电流(图3)。

图3: 电流形式反应采用了嵌套反应回路。与电压形式不同,它需求计入电感上的电流。

在这些控制拓朴中,在回路的相移到达360°的恣意频率处,控制回路的增益不能超越1。相移包括了将控制信号馈入反应运放的倒相输入端所产生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延迟、以及由电容和电感(特别是输出滤波器的大电容)引入的延迟。

稳定回路请求对一定频率范围内的增益变化和相移停止补偿。传统上,采用模仿PWM来稳定电源通常需求采用经历办法:你在一块与消费型电路板相同规划的实践电路板上,实验各种无源器件的不同组合,并察看在电源电压和负载需求变化时的电路时间域响应。最近,事情已变得很简单。由于如今模仿控制器公司在其本人的型号产品上完成了首先在数字控制器上引入的各种“在存放器中插入一个值”的功用。

数字控制回路

大多数电压形式控制的数字完成计划包括了模数转换器(ADC)、完成一些控制算法的微控制器或DSP、以及一个数字脉冲宽度调制器(DPWM),该DPWM拾取控制器输出并产生驱动执行开关动作的一个或几个晶体管所需的信号(图4)。

图4: 电压形式控制的数字完成消弭了锯齿产生器。在其他方面,它们与模仿完成严密对应。

首先,ADC产生馈入控制器的一系列输出电压的数字表示。控制算法是人们所熟习的比例积分(PI)或比例积分/差分(PID)算法。

在一个PID控制器(更复杂的实例)中,每个ADC输入都要执行基于一系列系数的算法。比例系数是与灵活度相关的增益因子。整数系数依照错误呈现的时间长短来调理PWM的占空比。诱导系数补偿回路的时间延迟(相位更有效)。综合起来,PID算法的各个系数决议了系统的频率响应。

控制器随后将ADC的输出电压表示转换成维持希冀的输出电压所需的脉冲持续时间(占空比)信息。然后,该信息被传送至一个DPWM,它执行与模仿PWM一样的驱动信号产生功用。

留意模仿和数字控制计划管理开关晶体管的不同。模仿控制器在时钟上升沿触发开关晶体管成ON状态,并在电压坡度到达预设的门槛电压时将晶体管触发成OFF状态;PID控制器则计算开关晶体管ON和OFF状态期间所需的持续时间。

理论上,模仿控制能够提供连续精度的输出电压。但ADC精度和采样率的交互作用再加上DPWM开关速率,使事情变得有些复杂。

例如,DPWM必需具有比ADC更高的精度。否则,ADC输出的1-LSB变化就可能招致DPWM使输出电压变化大于1-LSB。其结果是,输出电压就稳定地在两个数值之间转换,这个状态被称之为“限制性循环”。

不过,防止循环也不是轻而易举的。这是由于要提供DPWM更高的精度就意味着必需进步其脉冲速率(脉冲速率决议了在任一给定时间段可以产生几比特)。但是,DPWM脉冲速率限制了它对一切来自控制器的比特停止紧缩的时间。Artesyn白皮书中的例子引见了一个假定的具有1MHz开关速率和10位ADC的DPWM。计算显现,调制器请求超越1 GHz的脉冲速率。

当然,如此的高速度是不实在际的,因而数字控制器的设计者必需找到另一种替代处理计划。一种计划是引入一些DPWM时钟颤动。稳压器输出过滤器对馈入的任一脉冲串停止均匀,这使对每个mth输出脉冲的宽度停止相当于1 LSB的调整成为可能。

这将脉冲串的均匀值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。假如在控制器输入端的1-LSB使输出脉冲串均匀变化10mV,这将使每四个脉冲缩短相应于10 mV的时间,那么经过滤波器的均匀输出电压将降低 10mV/4或2.5mV。

替代处理办法

虽然简直一切数字控制器采用ADC和程序存储控制器,但这并不是独一可能的处理计划。去年,Zilker Labs留意到,到达最新Pentium级处置器所请求的阶跃响应(每毫微秒数百安),请求在控制器中采用相当快同时对功率耗费量大的DSP。

作为一种较低功耗的替代计划,该公司推出了一款基于比拟器(而不是ADC)和状态机(而不是程序存储处理计划)的控制器。

此外,前述简单的降压型或升压型拓朴也不是完成数字稳压的独一途径。Vicor提出了一种完整不同的处理计划,它基于比前述简单的降压型或升压型拓朴要复杂得多的稳压器拓朴,并重新分配了电源架构中的各个根本元素。

最后,数字控制曾是一项打破性技术,但往常数字控制的诸多益处也已呈现在模仿控制稳压器中。
固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延迟、以及由电容和电感(特别是输出滤波器的大电容)引入的延迟。

稳定回路请求对一定频率范围内的增益变化和相移停止补偿。传统上,采用模仿PWM来稳定电源通常需求采用经历办法:你在一块与消费型电路板相同规划的实践电路板上,实验各种无源器件的不同组合,并察看在电源电压和负载需求变化时的电路时间域响应。最近,事情已变得很简单。由于如今模仿控制器公司在其本人的型号产品上完成了首先在数字控制器上引入的各种“在存放器中插入一个值”的功用。


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