簡單電路使數(shù)字電源控制器與模擬控制相兼容

數(shù)字控制IC具有多種優(yōu)勢，比如裸片尺寸更小、無源元件數(shù)量更少、成本更低。數(shù)字控制可利用電源管理總線(PMBus?)來完成系統(tǒng)配置;高級控制算法能改善性能;可編程性則可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)化。 隨著 數(shù)字電源管理 的進(jìn)一步普及并代替大量模擬控制器，它必須保持現(xiàn)有功能的向后兼容性，從而使數(shù)字電源模塊和模擬電源模塊均可在同一個系統(tǒng)中工作。

模擬電源模塊中一般使用輸出電壓調(diào)整，這樣最終用戶可以通過外部電阻更改電源模塊的輸出電壓。 它具有增強(qiáng)的靈活性，允許將某些經(jīng)過選擇的標(biāo)準(zhǔn)模塊用到幾乎所有應(yīng)用中，而無論電壓要求如何。 圖1顯示AGF600-48S30 模擬電源模塊中調(diào)整輸出電壓的典型配置。

輸出電壓可通過改變連接電源模塊正輸出端或接地端的電阻來進(jìn)行調(diào)節(jié)通過連接外部電阻 RUP 并使 RDOWN浮空，可以向上調(diào)整輸出電壓(高于標(biāo)稱輸出電壓)，或者通過連接外部電阻RDOWN 并使 RUP 短路(電阻值為零)向下調(diào)整(低于標(biāo)稱輸出電壓)。

圖1. 調(diào)整AGF600-48S30 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

在模擬解決方案中，RUP 和 RDOWN 可改變誤差放大器的基準(zhǔn)電壓。 誤差放大器利用電阻分壓器感測輸出電壓，分壓器通過負(fù)反饋連接誤差放大器的反相輸入端。 誤差放大器的輸出電壓控制驅(qū)動信號的占空比，進(jìn)而設(shè)置輸出電壓。 因此，輸出電壓隨基準(zhǔn)電壓的變化而改變，而 RUP 或 RDOWN可以改變基準(zhǔn)電壓，進(jìn)而向上或向下調(diào)整輸出電壓。

圖2顯示兩種廣泛用于模擬電源模塊中的調(diào)壓方式。 圖2(a)中的模擬控制器引腳允許外部電阻 RDOWN 降低誤差放大器同相輸入端的電壓，從而降低輸出電壓。 外部電阻 RUP 與電阻分壓器串聯(lián)連接，可降低施加在誤差放大器反相輸入端的電壓，從而增加輸出電壓。 圖2(b)中的模擬控制器不提供針對內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的訪問，但可以加入一個外部誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源，以便對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。 外部放大器輸出端與內(nèi)部放大器輸出端相連，有效地旁路了內(nèi)部誤差放大器。 然后，基準(zhǔn)電壓可采用之前的相同電路進(jìn)行配置，從而以同樣的方式對兩個電源模塊進(jìn)行調(diào)整。

圖2. 利用(a)帶有可配置內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的模擬控制器，

或者(b)帶有固定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的模擬控制器調(diào)整模擬電源模塊的輸出電壓

對于數(shù)字控制器來說所有的控制功能均由數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)。 圖3所示為集成PMBus接口的高級數(shù)字控制器 ADP1051 的功能框圖。 該器件非常適合高密度DC-DC電源轉(zhuǎn)換，具有6個可編程脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出，可控制大部分高效電源拓?fù)?/strong>。 另外，該器件還能控制同步整流(SR)，并集成6個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，能夠采樣模擬輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、溫度以及其它參數(shù)。 轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)后，將這些信號發(fā)送至數(shù)字內(nèi)核模塊進(jìn)行處理。 該器件采用靈活的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，以硬件實(shí)現(xiàn)全部功能，提供穩(wěn)定可靠的解決方案，但無法通過編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)以外的功能。 器件的全部功能--包括輸出電壓調(diào)整--均以數(shù)字方式處理。 為了調(diào)整輸出電壓，應(yīng)通過PMBus接口發(fā)送一條命令，改變數(shù)字基準(zhǔn)電壓值。

圖3. 數(shù)字控制器ADP1051功能框圖

考慮整個控制環(huán)路，輸出電壓通過電壓分壓器或者運(yùn)算放大器縮放到合適的值，然后輸入給VS+引腳。ADC對該電壓進(jìn)行采樣。 數(shù)字內(nèi)核知道數(shù)字化的輸出電壓值只采用邏輯電平信號工作，因此無法使用外部基準(zhǔn)電壓并旁路內(nèi)部比較器和濾波器。 受限于這種固定的硬件配置，向后兼容現(xiàn)有模擬調(diào)整功能的唯一途徑是調(diào)節(jié)VS+引腳上的ADC檢測電壓。 一種方法是重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)。

圖4中，RD1和 RD2 構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)反饋網(wǎng)絡(luò)--一個簡單的電阻分壓器，可在ADC檢測輸出電壓之前對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。 檢測電壓為：

其中， VO 是電源模塊的實(shí)際輸出電壓。 采用標(biāo)準(zhǔn)反饋網(wǎng)絡(luò)，則輸出電壓無法以模擬方式調(diào)整。 如圖4所示，通過加入RUP, RT0和 VTRIM的方式重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)可對比例輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 于是，檢測電壓為：

VS+引腳上的正常工作電壓為1 V.若 VTRIM 為1 V左右且RT0 遠(yuǎn)大于RD2, 則可忽略電路的其余分支部分。 復(fù)合網(wǎng)絡(luò)用作簡單分壓器，并調(diào)節(jié) RUP 電阻值，提供類似于模擬控制器的特性，實(shí)現(xiàn)了模擬電源模塊中的電壓向上調(diào)整。

圖4. ADP1051可調(diào)整反饋網(wǎng)絡(luò)

然而，提供向下調(diào)整能力則要更為復(fù)雜。 數(shù)字控制器不知道系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)輸出的確切電壓值，因此它會嘗試最大程度降低 VVS+ 和內(nèi)部數(shù)字基準(zhǔn)電壓之間的誤差。 VVS+ 將始終隨內(nèi)部數(shù)字基準(zhǔn)電壓的變化而改變，其典型值設(shè)為1 V.等式2顯示 VO 與 VTRIM 呈線性關(guān)系。 由圖2可知，向下調(diào)整輸出電壓的機(jī)制是產(chǎn)生一個表示所需輸出電壓與標(biāo)稱輸出電壓之差的誤差電壓。內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓將先會減去這個誤差電壓，然后才會加到誤差放大器的同相端。 若在誤差放大器的反相輸入端加入相同的電壓差，則兩個電路都將具有相同的輸出結(jié)果。 因此， VTRIM 應(yīng)當(dāng)與所需的輸出電壓和標(biāo)稱電壓之差成比例，而非采用固定值。

圖5中的電路具有兼容模擬向上或者向下調(diào)壓的功能兩個電阻分壓器產(chǎn)生兩個基準(zhǔn)電壓，其中一個基準(zhǔn)電壓表示模擬控制器所需的輸出基準(zhǔn)電壓，另一個表示內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。 利用一個電壓跟隨器來避免所需的輸出基準(zhǔn)電壓與后續(xù)電路相互影響。 利用AD822 FET輸入運(yùn)算放大器，將所需的輸出基準(zhǔn)電壓(V1)從模擬控制器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(V2)中去除，得到所需的電壓差。此電路的線性放大增益確保了VTRIM 足夠大，從而能對 VVS+ 產(chǎn)生影響。

圖5. 重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)，方便進(jìn)行模擬輸出調(diào)整

目標(biāo)輸出電壓調(diào)整特性的定義參見AGF600-48S30數(shù)據(jù)手冊。表1顯示了一組應(yīng)用于新配置反饋網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)，采用此組參數(shù)，可以使其兼容模擬電源模塊電壓調(diào)整特性

表1. 圖5所示電路的電阻值

采用等式2和表1中的數(shù)值，便可計(jì)算輸出電壓調(diào)整特性。 圖6顯示結(jié)果曲線。 目標(biāo)值和計(jì)算值之間的誤差由重新配置的反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。 該誤差極小(標(biāo)稱輸出電壓為30 V時，該誤差值不足0.1 V)，這表示該電路的輸出結(jié)果良好。

圖6. 使用重新配置的反饋網(wǎng)絡(luò)后，調(diào)整ADP1051輸出電壓的計(jì)算結(jié)果： (a)向下調(diào)整 (b)向上調(diào)整

通過計(jì)算可以驗(yàn)證這種重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)以調(diào)整輸出電壓的方法，并為其它使用數(shù)字基準(zhǔn)電壓的數(shù)字電源控制器--比如 ADM1041A, ADP1046A, ADP1050, 和 ADP1053等--向后兼容模擬控制器提供思路，增強(qiáng)了數(shù)字電源解決方案的靈活性。