數(shù)字電源技術(shù)及應(yīng)用

二、數(shù)字電源的基本原理

數(shù)字電源的關(guān)鍵是電源管理、控制信號的數(shù)字化處理，其基本要求是：在保障穩(wěn)定性的前提下，具有快速性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。下面以負(fù)載點(diǎn)變換器(POL)為例說明數(shù)字電源控制功能的實(shí)現(xiàn)原理和方法。

負(fù)載點(diǎn)變換器(POL)通常用于將直流輸入電壓(一般為5V~12V)調(diào)節(jié)成適用于負(fù)載要求的直流輸出電壓(0.7V~3.3V)。例如，在典型的基于降壓(Buck)開關(guān)變換器的電路中，Buck變換器包含一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)主控制芯片，一對主功率開關(guān)和一個(gè)由儲能電感和電容構(gòu)成的低通濾波器。在脈沖寬度調(diào)制控制芯片中，一個(gè)電阻分壓器對電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號，誤差信號是一個(gè)強(qiáng)度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過具有某種控制規(guī)律的誤差補(bǔ)償器(Compensator)進(jìn)行放大后，其輸出進(jìn)入脈寬調(diào)制器(PWM)，經(jīng)過與載波(通常為鋸齒波或三角波)比較之后產(chǎn)生脈沖波，從而控制功率開關(guān)(通常為MOSFET)的導(dǎo)通與關(guān)斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動(dòng)器電路有必要有效率地導(dǎo)通和關(guān)斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡(luò)一般會作為補(bǔ)償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

電源的兩個(gè)其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。這些部分由感應(yīng)器、電容和電阻構(gòu)成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護(hù)電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò)以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲能量以幫助維護(hù)負(fù)載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數(shù)字控制結(jié)構(gòu)而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

在典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，輸出電壓感應(yīng)排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應(yīng)到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數(shù)也非常有用。雖然獨(dú)立的ADC可以感應(yīng)每個(gè)參數(shù)，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設(shè)一個(gè)多路復(fù)用路往往是更加常用的方法。多路復(fù)用器 (MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個(gè)輸入發(fā)送至ADC.

由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個(gè)參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個(gè)數(shù)字由己知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器。卡上程序內(nèi)存存儲著微控制器的控制算法，這些算法負(fù)責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果包括誤差信號、想要的驅(qū)動(dòng)器級脈寬、各種驅(qū)動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補(bǔ)償?shù)葏?shù)。有了這些參數(shù)，數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)就可以通過驅(qū)動(dòng)后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過一定的接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統(tǒng)的外部回路補(bǔ)償元件此時(shí)變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數(shù)的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性內(nèi)存中，或者可以通過PMBus輸入。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)會由EEPROM下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中，主芯片據(jù)此控制模塊的工作狀態(tài)。同時(shí)，可以通過一定的外部操作來重新讀入EEPROM中的默認(rèn)設(shè)置。

三、數(shù)字電源的組成結(jié)構(gòu)

圖1為數(shù)字控制的電源系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)包括模擬部分、數(shù)字部分以及模擬數(shù)字的接口電路。模擬部分主要是各種拓?fù)涞淖儞Q電路及負(fù)載電路組成;數(shù)字部分為微處理器芯片及其外設(shè);接口電路包括從模擬部分到數(shù)字部分的采樣網(wǎng)絡(luò)及A/D轉(zhuǎn)換器和從數(shù)字部分到模擬部分的PWM外圍電路、相應(yīng)的門極驅(qū)動(dòng)電路及D/A轉(zhuǎn)換器或I/O外圍電路。

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