實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的方法

模擬工程師以前在設(shè)計(jì)需要具有多路輸出、動態(tài)負(fù)載共享、熱插拔或廣泛故障處理能力的電源時(shí)，往往需要與復(fù)雜性抗?fàn)?。利用模擬電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能并非總是經(jīng)濟(jì)有效或靈活的。采用模擬技術(shù)設(shè)計(jì)電源需要使用“過大的”元件來解決元件變化和元件漂移的問題。即使是在克服了這些設(shè)計(jì)難點(diǎn)之后，這些電源在生產(chǎn)線末端還需要進(jìn)行人工調(diào)整。

那么，模擬工程師應(yīng)該選擇什么來設(shè)計(jì)電源呢？工程學(xué)對這個(gè)問題的回答是利用功率轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的智能數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)上述功能。單片機(jī)已使模擬設(shè)計(jì)人員能夠實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、控制、通信甚至確定性功能(如電源中的上電時(shí)序、軟啟動和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制等)。不過，由于缺乏經(jīng)濟(jì)有效的高性能技術(shù)，以數(shù)字方式控制整個(gè)功率轉(zhuǎn)換環(huán)路還不太現(xiàn)實(shí)。

1 開關(guān)電源中的DSC設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，一種新型數(shù)字信號控制器(DSC)的問世使具有智能電源外設(shè)等功能的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為可能，因?yàn)檫@種器件采用基于計(jì)數(shù)器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣，可以在一個(gè)單時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行快速乘法。這些特性的組合有助于DSC處理控制環(huán)路軟件所需的較高執(zhí)行速度。

在開始進(jìn)行電源設(shè)計(jì)之前，需要做出以下決擇。

a選擇一種適合應(yīng)用需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：升壓型還是降壓型(Boost還是Buck)，隔離式(正向、半橋還是全橋)。

b選擇一種開關(guān)技術(shù)： 硬開關(guān)還是軟開關(guān)。軟開關(guān)技術(shù)(如諧振模式或準(zhǔn)諧振模式)，以增加電路和控制的復(fù)雜程度為代價(jià)，換取較少的開關(guān)損耗。

c選擇一種控制方法：電壓模式還是電流模式。

電壓模式控制和電流模式控制是基于傳統(tǒng)模擬開關(guān)電源(SMPS)控制技術(shù)的兩種控制方法。在電壓模式條件下，利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)來控制電源電壓施加在電感器上的時(shí)間，進(jìn)而間接地控制電感器中的電流。在電流模式控制條件下，利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)為模擬比較器創(chuàng)建一個(gè)門限值來設(shè)置峰值電感電流，從而控制平均電感電流。電壓模式可以在噪聲環(huán)境中或?qū)捁ぷ鞣秶鷹l件下提供更高的穩(wěn)定性；電流模式控制可以實(shí)現(xiàn)逐周期的電流限制和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，它還可防止可能導(dǎo)致電感器飽和并引起災(zāi)難性MOSFET故障的“逐步增加的電感電流”。

d選擇PWM工作頻率。高頻PWM有助于使用更小的電感器和電容器，但是需要額外付出開關(guān)損耗為代價(jià)。

e確定需要的控制帶寬。這在很大程度上取決于應(yīng)用所期待的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

f根據(jù)估計(jì)的控制帶寬需求來分配處理器資源。雖然有多種控制算法，但是常用的技術(shù)仍是比例、積分和微分(PID)方法。使用常用PID算法，控制環(huán)路將需要以所需控制系統(tǒng)帶寬的八倍速度運(yùn)行，以保證足夠的相位容限。在估計(jì)控制環(huán)路的延遲時(shí)，控制環(huán)路內(nèi)的所有延遲都必須考慮到(參見“計(jì)算控制環(huán)路的延遲”部分)。

接著，選擇一個(gè)可以滿足您所有或大多數(shù)設(shè)計(jì)需求的DSC。

選擇采用Microchip的SMPS dsPIC DSC--dsPIC30F2020來設(shè)計(jì)一個(gè)同步降壓式轉(zhuǎn)換器。這種DSC有一個(gè)硬開關(guān)，可提供互補(bǔ)PWM模式的電壓控制模式。這種降壓式轉(zhuǎn)換器(見圖1)采用同步開關(guān)，用一個(gè)MOSFET取代了電路中的整流器，因?yàn)樗葮?biāo)準(zhǔn)整流器有低得多的正向電壓降。通過降低電壓降，這種降壓式轉(zhuǎn)換器的整個(gè)效率可以提高5％~10％。同步開關(guān)與Q2需要一個(gè)次級PWM信號來補(bǔ)充初級PWM信號。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，Q2接通，反之亦然。此外，在PWM信號的上升沿和下降沿期間，需要利用“死區(qū)”控制來防止Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通。