利用數(shù)字反饋環(huán)路自由地定制電源產(chǎn)品

　　電源技術(shù)的進(jìn)步表明，電源轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的數(shù)字化控制可以幫助設(shè)計(jì)師創(chuàng)建具有更高功率密度的精確且可靠的電源，并且成本更低，上市速度更快。這些數(shù)字電源可以在生產(chǎn)過程中的任何時(shí)候方便地進(jìn)行定制，因?yàn)槿啃薷目梢杂密浖怯布?shí)現(xiàn)。

　　在小于100W的直流到直流電源和小于250W的交流到直流電源中模擬反饋電路仍具有很大的意義。然而在高性能、高等級(jí)的電源中，電源轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的數(shù)字化控制越來越重要，因?yàn)樗芸朔袝r(shí)由固定模擬技術(shù)引起的大多數(shù)限制。

　　例如，電容負(fù)載可能顯著影響電源的穩(wěn)定性。雖然模擬反饋系統(tǒng)也能處理電容負(fù)載，但負(fù)載電容的大幅變化可能超過設(shè)計(jì)的相位和增益余量。數(shù)字反饋系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于它能隨時(shí)改變補(bǔ)償方式，能讓反饋環(huán)路實(shí)時(shí)補(bǔ)償負(fù)載特性的更寬范圍變化。

　　轉(zhuǎn)向數(shù)字方式

　　直到最近，數(shù)字反饋系統(tǒng)也很少使用，因?yàn)樗鼈兎浅?fù)雜，所需DSP成本高，而且DSP外設(shè)的功能有限。然而通過培訓(xùn)，人們能感覺到的復(fù)雜性正在逐漸降低，而數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）的推出也有助于減輕與成本和外設(shè)功能有關(guān)的問題。

　　DSC充分結(jié)合了MCU的外觀和感覺以及DSP的運(yùn)算和處理能力。CPU設(shè)計(jì)采用了通常在DSP中運(yùn)用的數(shù)學(xué)函數(shù)，而外設(shè)的功能和靈活性可以追溯到嵌入式控制器。因此目前的DSC既具有DSP的數(shù)學(xué)性能，也保持著靈活性和外設(shè)的復(fù)雜對(duì)等特性。DSC極大地降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，不需要消耗CPU性能就能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　事實(shí)上，在這些性能的支持下，使用DSC的設(shè)計(jì)確實(shí)要比DSP設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樵S多DSC集成了電源專用的片上外設(shè)。這種外設(shè)包含了基于計(jì)數(shù)器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊、模擬比較器和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），因此可以實(shí)現(xiàn)基于模擬比較器的反饋環(huán)路和ADC采樣。這些功能再加上單時(shí)鐘周期內(nèi)的快速乘法能讓DSC輕易提供電源控制環(huán)路軟件所需的高執(zhí)行速率。

　　DSC的功能和高功率設(shè)計(jì)的較低開關(guān)頻率使得具有合適外設(shè)但性能適中的DSC也能輕松處理多個(gè)控制環(huán)路。這意味著單顆芯片不僅能提高電源的響應(yīng)特性，還能同時(shí)為多個(gè)獨(dú)立輸出做到這一點(diǎn)。

　　在開始電源設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)師必須作出三種基本選擇：

　　1. 設(shè)計(jì)采用什么拓?fù)洌?/P>

　　2. 采用什么工作模式？

　　3. 采用什么樣的控制方法？

　　拓?fù)渲饕Q于設(shè)計(jì)的輸入至輸出電壓比。工作模式則取決于拓?fù)浜退蟮妮敵鲭娏饕约芭c元件相關(guān)的成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術(shù)以及重要性稍低的器件成本。下面將詳細(xì)討論上述每種選擇，并指出使用DSC將如何影響這些選擇。

　　拓?fù)?/STRONG>

　　如上所述，拓?fù)渲饕Q于設(shè)計(jì)的輸出輸出電壓比。具有較高輸入電壓的設(shè)計(jì)通常使用降壓拓?fù)洌^低輸入電壓的設(shè)計(jì)通常采用升壓拓?fù)?。然而，影響拓?fù)溥x擇的另外一個(gè)因素是具有必備特性的PWM控制器，它要與所選拓?fù)湎嗉嫒荨．吘?，如果設(shè)計(jì)師不能產(chǎn)生正確的開關(guān)信號(hào)，那么開關(guān)模式的電源（SMPS）就不可能實(shí)現(xiàn)。

　　這正是DSC的切入點(diǎn)。由于DSC的外設(shè)是可編程的，因此可以產(chǎn)生單相PWM輸出、兩相或三相PWM輸出、半橋驅(qū)動(dòng)輸出甚至全H-橋驅(qū)動(dòng)輸出。事實(shí)上，由于DSC外設(shè)的可編程性，給定拓?fù)錈o需保持不變。

　　為了防止形成直通電流，DSC可能在橋輸出之間采用死區(qū)控制電路。

　　從單相切換到兩相然后再到三相、同時(shí)保持相位間的合理相移完全在DSC的能力范圍之內(nèi)。一些DSC甚至包含了橋輸出之間的死區(qū)控制，可用來防止同步開關(guān)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生直通電流。

　　工作模式

　　下一個(gè)要考慮的問題是工作模式。通常模擬設(shè)計(jì)工作在連續(xù)電感電流或非連續(xù)電感電流模式。這兩種模式具有各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。非連續(xù)電源模式設(shè)計(jì)可以保持穩(wěn)定電壓，即使輸出電流小至零。而連續(xù)設(shè)計(jì)使用較小的磁性元件，對(duì)輸出電壓紋波有較嚴(yán)格的控制。直到最近業(yè)界還無法有效地整合這兩種模式，因?yàn)樗鼈冇胁煌姆答佉蟆?/P>

　　然而，DSC的可編程外設(shè)可以在設(shè)計(jì)工作時(shí)隨時(shí)重配置。這意味著基于DSC的設(shè)計(jì)可以在不同工作模式之間切換，當(dāng)輸出電流足夠大時(shí)切換到連續(xù)模式以獲得穩(wěn)定的工作，當(dāng)輸出電流降到足夠低時(shí)再切換到非連續(xù)模式。

　　雖然模擬設(shè)計(jì)肯定可以執(zhí)行相同的轉(zhuǎn)換，但它要求兩條反饋路徑（一種模式一條），在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)有瞬時(shí)的毛刺。因此DSC還有一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)，即只需要一條反饋路徑。由于是基于軟件的反饋技術(shù)，因此可以預(yù)加載反饋濾波器的存儲(chǔ)元件，從而避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換毛刺（圖2）。

　　DSC具有改變操作模式的靈活性。

　控制方法

　　最終設(shè)計(jì)選擇是在設(shè)計(jì)的控制方法方面，是使用電壓模式還是電流模式控制。傳統(tǒng)的模擬SMPS設(shè)計(jì)使用這兩種控制技術(shù)之一，最終取決于成本和可用技術(shù)。

　　電壓模式控制是比較老的方法，在大多數(shù)早期的SMPS設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用。它使用斜坡發(fā)生器和電壓比較器將來自誤差放大器/環(huán)路濾波器的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM脈沖寬度。簡(jiǎn)單的電壓模式控制方法有三個(gè)基本局限性。第一，沒有限流機(jī)制保護(hù)電路元件。第二，它對(duì)輸入或輸出瞬變的反應(yīng)很慢。第三，它產(chǎn)生的反饋環(huán)路不穩(wěn)定。

　　電流模式控制是更好和更安全的控制方法，它由雙環(huán)格式組成。內(nèi)部電流環(huán)設(shè)計(jì)用于將電感充電到輸出電壓環(huán)路規(guī)定的峰值電流。外環(huán)類似于電壓模式控制的反饋環(huán)路，主要用于監(jiān)視輸出，對(duì)反饋進(jìn)行相位/頻率補(bǔ)償，并調(diào)節(jié)電流環(huán)傳送的能量。

　　因?yàn)閮?nèi)環(huán)以逐個(gè)周期為基礎(chǔ)調(diào)整電感電流，因此電感實(shí)際上不會(huì)記憶上個(gè)脈沖，不會(huì)運(yùn)送前個(gè)周期的能量。它還能為晶體管提供峰值電流保護(hù)，消除磁性元件中的“棘輪效應(yīng)”，抑制輸入電壓的變化，并提供方便的控制環(huán)路補(bǔ)償。

　　數(shù)字SMPS設(shè)計(jì)中電流模式控制的高效實(shí)現(xiàn)依賴于使用DSC。DSC具有板上PWM外設(shè)，其工作方式與電流模式PWM發(fā)生器相同（圖3）。不同點(diǎn)在于數(shù)字反饋的輸出。電壓模式設(shè)計(jì)使用反饋直接控制PWM的占空比。在電流模式設(shè)計(jì)中，DSC的PWM具有基于比較器的脈沖終止功能，可以根據(jù)電流反饋調(diào)節(jié)脈沖寬度，并且數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出由數(shù)字反饋驅(qū)動(dòng)。

　　電流模式控制是通過計(jì)算SMPS設(shè)計(jì)要求的PWM頻率和最大占空比、然后用這些參數(shù)配置PWM計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的。這就設(shè)定了最大的占空比和系統(tǒng)的脈沖頻率。接下來設(shè)計(jì)必須調(diào)整參考DAC輸出來處理有望最大范圍的電流反饋信號(hào)。這樣做可以在控制PWM占空比時(shí)提供最高的分辨率。

　　最后，還必須開發(fā)用于控制和穩(wěn)定系統(tǒng)所需的特殊比例-積分-微分（PID）軟件例程。這個(gè)例程必須根據(jù)來自ADC的反饋電壓提供合適的反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性能。另外，這個(gè)例程必須將這個(gè)反饋信號(hào)與自己內(nèi)部的數(shù)字參數(shù)進(jìn)行比較，并輸出理想的電流設(shè)置給產(chǎn)生比較器參考信號(hào)的DAC（圖3）。

　　這個(gè)SMPS設(shè)計(jì)采用的是基于DSC的數(shù)字電流模式控制。

　　數(shù)字環(huán)路控制

　　SMPS設(shè)計(jì)使用DSC時(shí)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素是確保板上PWM模塊為電源設(shè)計(jì)提供足夠的分辨率。DSC的ADC要向控制環(huán)路提供狀態(tài)（反饋），因此也應(yīng)具有足夠的分辨率。

　　其次，謹(jǐn)慎選擇DSC也很重要，DSC內(nèi)置的模擬比較器必須有足夠快的速度匹配所產(chǎn)生的脈沖寬度。雖然可以用ADC替代比較器用于終止PWM脈沖，但DSC必須連續(xù)監(jiān)視和處理信號(hào)。這將浪費(fèi)它們的處理能力，因?yàn)楸槐O(jiān)視信號(hào)只與固定限值比較。高速模擬比較器可以解放處理器和ADC，讓它們執(zhí)行其它更高價(jià)值的任務(wù)，同時(shí)幫助DSC執(zhí)行電源故障和限流功能。

　　此外，DSC中的ADC模塊提供獨(dú)立的采樣保持電路是很有用的，能讓DSC以精確的時(shí)間同時(shí)采樣多個(gè)電壓或電流。這樣即使瞬時(shí)信號(hào)也可以被采樣，并且有助于降低系統(tǒng)成本。如果ADC可以異步采樣就更好了，因?yàn)檫@樣能支持工作在不同頻率的多個(gè)控制環(huán)路，如運(yùn)行在70kHz的功率因素校正（PFC）電路和運(yùn)行在250kHz的直流直流轉(zhuǎn)換模塊。

　　SMPS設(shè)計(jì)中的PID算法
　　利用PID算法，實(shí)際電壓與理想輸出電壓之間的比例、積分和微分誤差同時(shí)被用來控制PWM占空比。PID算法共有三種基本的形式：

　　1. 串行，或交互；

　　2. 并行，或非交互；

　　3. 理想的并行。

　　電壓和電流模式控制環(huán)路中都可以部署PID算法。另外，DSC不要求復(fù)雜的DSP編程技巧，因?yàn)樗鼈儗SP功能作為人們熟悉的MCU環(huán)境中的外設(shè)加以提供。

　　占空比超過50%可能會(huì)產(chǎn)生電流模式的穩(wěn)定性問題。不過可以通過PID軟件設(shè)定要求的電流等級(jí)而輕松地解決這個(gè)問題。因此很容易調(diào)整DAC值，并使得數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)斜率補(bǔ)償比模擬方式要容易得多，它需要一個(gè)與PWM脈沖同步的斜坡發(fā)生器和一個(gè)將斜坡與電流反饋相加的求和點(diǎn)。

　　上述技術(shù)將生成基于經(jīng)濟(jì)和較低MIPS的DSC的電流模式SMPS設(shè)計(jì)，而不是基于運(yùn)行在1到2BIPS的快速控制器的設(shè)計(jì)。例如，Microchip公司提供的dsPIC30F202X DSC就包含有高分辨率數(shù)字PWM發(fā)生器、200萬樣本每秒標(biāo)稱性能的ADC、與10位參考ADC相連的高速模擬比較器和一個(gè)30MIPS、具有DSP功能的控制器（圖4）。

　　像Microchip公司的dsPIC30F202X這種較低MIPS的經(jīng)濟(jì)型DSC并非采用運(yùn)行在1到2BIPS的快速控制器，但它能提供電流模式SMPS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

　　PID控制環(huán)路是控制軟件的核心（圖5），它以固定時(shí)間為基礎(chǔ)在ADC中斷下運(yùn)行。象電壓上升/下降、誤差檢測(cè)、前向反饋計(jì)算和通信支持例程等系統(tǒng)功能應(yīng)在？空閑環(huán)路？中執(zhí)行，以便減輕PID控制軟件中不必要的工作負(fù)擔(dān)。

　　位于軟件核心的是PID控制環(huán)路結(jié)構(gòu)。

　　PID環(huán)路是軟件中對(duì)時(shí)間最敏感的部分。因此為了確保DSC資源得到高效使用，環(huán)路不應(yīng)使用超過66%的可用處理器帶寬。這樣才能使設(shè)計(jì)有足夠的能力處理通信等空閑環(huán)路功能，或支持軟啟動(dòng)和排序等功能。

　　在基于30MIPS DSC的SMPS應(yīng)用中，這將轉(zhuǎn)換成包含有30條指令的PID環(huán)，執(zhí)行時(shí)間約為1μs。按照500kHz（或2μs）的反復(fù)速率，PID控制環(huán)路使用一半的可用處理器帶寬，或15MIPS。

　自由創(chuàng)新

　　電源使用數(shù)字反饋控制有許多優(yōu)點(diǎn)。最大的優(yōu)點(diǎn)是它們具有很大的靈活性，可以讓設(shè)計(jì)師自由地創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如上所述，設(shè)計(jì)師最關(guān)心的是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需技術(shù)的可用性。DSC的優(yōu)點(diǎn)在于其可配置性，它能讓設(shè)計(jì)師創(chuàng)建專門針對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)的合適技術(shù)。

　　例如，一個(gè)電源可能需要在啟動(dòng)和關(guān)閉期間協(xié)調(diào)多個(gè)輸出電壓，或者在一組獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換模塊之間執(zhí)行負(fù)載或電流分擔(dān)。在這些情況下，數(shù)字反饋控制無需額外成本就能提供這樣的功能。按這些方式使用模擬器件定制電源是相當(dāng)昂貴。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)作出修改的能力，或叫做熱交換能力。例如，如果電信或其它任務(wù)關(guān)鍵應(yīng)用中的電源模塊發(fā)生了故障，服務(wù)技術(shù)工人可以在系統(tǒng)不間斷工作的情況下用新的電源模塊替換掉有缺陷的電源模塊。這種熱交換功能要是使用模擬器件實(shí)現(xiàn)的話將非常昂貴，但如果是受DSC數(shù)字化控制的電源將極具性價(jià)比。

　　另外，如果要求電源必須能夠適應(yīng)變化的要求，DSC也能輕松進(jìn)行再編程。如果是模擬的電源設(shè)計(jì)，你必須利用新的模塊重新開始。而且由于采用了片上閃存，DSC可以簡(jiǎn)化電源生產(chǎn)組裝線。這意味著單個(gè)硬件設(shè)計(jì)經(jīng)過配置可以滿足不同用戶的電壓和/或電流要求。

　　另外，通過編程DSC中的閃存可以實(shí)現(xiàn)電源的微調(diào)和校準(zhǔn)。這種方法不需要微調(diào)管或激光微調(diào)電阻。數(shù)字電源還能加載測(cè)試友好的軟件進(jìn)行電路板測(cè)試，或根據(jù)相同的DSC硬件平臺(tái)生成多個(gè)定制產(chǎn)品。

　　本文小結(jié)

　　總之?dāng)?shù)字電源轉(zhuǎn)換的好處非常多，設(shè)計(jì)師可以通過使用帶電源友好型片上外設(shè)的DSC獲得方便高性價(jià)比的設(shè)計(jì)。數(shù)字電源能讓設(shè)計(jì)師自由創(chuàng)新和開發(fā)出更高可靠性、靈活性和瞬態(tài)響應(yīng)的電源，還能在生產(chǎn)后期通過修改固件而不是硬件方便地進(jìn)行定制