電源管理的模擬和數(shù)字方法

　　模擬電路是一款表示連續(xù)可變，可量測物理量(如長度，寬度，電壓，壓力)數(shù)據(jù)的器件。然而，在模擬市場分類中，我們看到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和接口產(chǎn)品是具有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和電路成分的器件。

　　實(shí)際上，在模擬領(lǐng)域，我們看到混合信號應(yīng)用的廣泛性，范圍從純模擬到數(shù)字以及從電源到信號。實(shí)際上，在每次技術(shù)歷程中模擬是產(chǎn)生新電路、新結(jié)構(gòu)和新方案的一種豐富的基本元素。如市場情報(bào)公司的數(shù)據(jù)報(bào)告所示，模擬已成為一個(gè)大的混合信號領(lǐng)域，它跨越純模擬到數(shù)字的全部電路領(lǐng)域。

　　模擬繼續(xù)在增長，不管數(shù)字化的每個(gè)實(shí)際現(xiàn)象。這是因?yàn)橐陨纤龅脑蚝湍M保持無可比擬的創(chuàng)新領(lǐng)域：10年前沒有容性穩(wěn)壓器(電荷泵)，5年前沒有LED驅(qū)動器，這種創(chuàng)新還將繼續(xù)。結(jié)果，純模擬電路的數(shù)字化在寬廣限定的模擬市場保持家用增長現(xiàn)象，確認(rèn)模擬的領(lǐng)先創(chuàng)新能力。肯定的說，沒有模擬不可能有模擬的數(shù)字化。

　　數(shù)字化的局限性

　　圖1示出一般電源轉(zhuǎn)換和管理系統(tǒng)的框圖?？驁D中的單元(電源基準(zhǔn)，D/A，驅(qū)動器，濾波器)是連接“外部”模擬世界的特征元件，如上述原因它們將保持摸擬?？驁D中的通信單元是數(shù)字(串行或并行通信總線)的?？刂茊卧瑐鹘y(tǒng)上用模擬方法實(shí)現(xiàn)，但最近5年改變?yōu)閿?shù)字實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)今業(yè)內(nèi)趨勢表明電源轉(zhuǎn)換(伺服控制算法)和電源管理(新的串行或并行總線協(xié)議通信，定序電路等)的數(shù)字控制結(jié)構(gòu)正變?yōu)槌墒?。未來幾年，預(yù)測這些結(jié)構(gòu)可以替代模擬對應(yīng)部分。

　　電源繼續(xù)處于一個(gè)艱難的環(huán)境下，對半導(dǎo)體器件有很大的壓力。開關(guān)穩(wěn)壓器中的電感器或電機(jī)中的線圈，以大于VCC電源和低于它的電壓尖峰信號周期性地使電子電路激化。這樣的過壓和欠壓偏移勢必會喚醒半導(dǎo)體器件中的寄生晶體管，這會對系統(tǒng)產(chǎn)生有害的影響。如何使這些有害影響不連接到外部世界，這不是數(shù)字電子的范圍。這是一個(gè)相當(dāng)難解決的問題，甚至對于最有經(jīng)驗(yàn)的模擬設(shè)計(jì)人員也成為一個(gè)重要的難題。事實(shí)上，寄生參量問題使電源/模擬設(shè)計(jì)變成為一種藝術(shù)，而不是科學(xué)?，F(xiàn)在沒有SPICE仿真器能模擬寄生晶體管的三維效應(yīng)，而只要這樣情況繼續(xù)存在，模擬將繼續(xù)是少數(shù)熟練設(shè)計(jì)人員手中的“黑魔術(shù)”。

　　模擬和數(shù)字結(jié)構(gòu)

　　圖2示出電壓穩(wěn)壓器的典型模擬控制實(shí)現(xiàn)框圖，是圍繞調(diào)制器構(gòu)建脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)穩(wěn)壓器。模擬調(diào)制器由一個(gè)比較器構(gòu)成(調(diào)制波形示于圖3)，比較器的輸入是周期為T的周期性逐段線性(三角或鋸齒)調(diào)制波形VST，另一個(gè)輸入為誤差信號Vε。如準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)誤差信號Vε處在調(diào)制波形的最小和最大之間，則這兩個(gè)波形的交叉點(diǎn)決定‘on’脈沖的周期Ton。因此，比較器輸出產(chǎn)生一個(gè)方波Vsw，其平均值與DC輸出電壓Vo相同。在此方法中，PID(比例-積分-微分)單元可以用一個(gè)運(yùn)放和外部無源元件(補(bǔ)償電阻器Rc和電容器Cc)實(shí)現(xiàn)，或用集成有Rc、C2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的單片實(shí)現(xiàn)。

　　圖4示出一種數(shù)字控制結(jié)構(gòu)，其中輸入誤差信號(Vfb-Vref)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，此后進(jìn)行PID補(bǔ)償和數(shù)字調(diào)制(DPWM)。

　　數(shù)字電源轉(zhuǎn)換控制環(huán)路的核心是數(shù)字調(diào)制器。圖5示出用環(huán)形振蕩器實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制器方法，這是一種簡單和有效的方法。在此實(shí)例中，環(huán)形振蕩器工作頻率為1MHz(T=1ms)，此頻率也是數(shù)字PWM系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，環(huán)形振蕩器由255個(gè)電路構(gòu)成(在環(huán)形振蕩的最簡單實(shí)現(xiàn)方法中，門電路數(shù)必須是奇數(shù))，以對應(yīng)于8位分辨率。每個(gè)門電路輸出都是比前一個(gè)門電路延遲1/255時(shí)鐘周期，大約為4ns。

　　適當(dāng)?shù)剡x擇門電路之間的時(shí)間延遲，可以產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制器輸出處的‘on’脈沖，通過由數(shù)字誤差信號電壓DVε驅(qū)動的數(shù)字選擇器可以進(jìn)行這種選擇。

　　選擇控制算法

　　若被穩(wěn)壓的系統(tǒng)是真正線性的，這意味著工作模式是連續(xù)不變的或者是平穩(wěn)的，則模擬通常是采用的方法。臺式CPU電壓穩(wěn)壓器就是這樣情況，穩(wěn)壓器輸出從無載到滿載必須用同樣的算法進(jìn)行連續(xù)地控制。若系統(tǒng)非平穩(wěn)，這意味著工作模式是不連續(xù)和變化的，則選擇數(shù)字方法比較好。

　　例如，在筆記本或移動電話電壓穩(wěn)壓器應(yīng)用中，選擇數(shù)字方法是比較好的。因?yàn)樵谳p負(fù)載時(shí)，應(yīng)節(jié)省功率，此時(shí)需要模式變化。這通常會發(fā)生從PWM算法到PFM(脈沖頻率調(diào)制)的情況。PFM是隨負(fù)載調(diào)節(jié)頻率的模式，因此，在較輕負(fù)載時(shí)產(chǎn)生較低的頻率，進(jìn)而有較低的開關(guān)損耗。

　　在模擬系統(tǒng)中，這樣的模式變化需要從一個(gè)控制環(huán)路(如PWM)突然轉(zhuǎn)換到另一個(gè)模式(如PFM)，通常此時(shí)負(fù)載正在變化。這種算法不是連續(xù)性的，必定導(dǎo)致輸出穩(wěn)定度的暫時(shí)降低。

　　相反，數(shù)字控制固有的配置來處理不連續(xù)性。因此，數(shù)字控制在單控制算法中具有處理模式變化的能力。

　　電源管理和轉(zhuǎn)換應(yīng)用

　　數(shù)字電源管理的明顯優(yōu)點(diǎn)是容易通信、編程、狀態(tài)報(bào)告等。這種數(shù)字控制的典型應(yīng)用實(shí)例是智能電池系統(tǒng)，為筆記本電腦供電的智能電池充電器。此系統(tǒng)包括智能充電器，智能電池和主微控制器。在此系統(tǒng)中，智能充電器從器件通過系統(tǒng)管理總線(SMBus)接收來自“主”控制器的命令。然后，智能充電器調(diào)節(jié)其參量為智能電池提供所需的電流、電壓和功率，然后對微控制器報(bào)告其數(shù)值。

　　在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，微控制器基數(shù)字結(jié)構(gòu)具有很多有用的地方，特別是在不僅僅需要編程性，而且也需要電流和電壓整形的應(yīng)用中。

　　電流整形應(yīng)用

　　在輕載鎮(zhèn)流器應(yīng)用中需要電流整形，對于不同的燈可以靈活地設(shè)置電流的強(qiáng)度和周期以及３個(gè)工作相(預(yù)熱，點(diǎn)火和調(diào)光)。在PFC應(yīng)用中也需要電流整形，電流必須與線電壓有相同形狀。