實(shí)現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源

引言

諸如AC至DC和DC至DC SMPS等傳統(tǒng)電源產(chǎn)品均采用了一種模擬控制回路來對PWM模塊、集成電路(開關(guān)電源)和功率器件進(jìn)行基本控制，并在這一基礎(chǔ)上添加了由單片機(jī)執(zhí)行的數(shù)字信號控制和通信功能。但是，在數(shù)字電源中，模擬控制回路被數(shù)字控制回路所取代，并且PWM模塊通常集成在執(zhí)行高級控制和通信的同一顆單片機(jī)中。
 
圖 1   數(shù)字回路結(jié)構(gòu)示例
 
圖 2   用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC示例框圖

為了更好地理解數(shù)字電源的架構(gòu)選擇和關(guān)鍵性能參數(shù)，最好先搞清楚使用數(shù)字回路的好處。通過采用數(shù)字回路控制來實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，可使開發(fā)人員的設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)大大受益。通過可再編程軟件執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換控制的功能以及DSC(數(shù)字信號控制器)解決方案的性能和功能正是這些益處產(chǎn)生的原因。以下羅列了使用數(shù)字回路的好處：

.增加了功率密度
-通過減少元件數(shù)量和縮小元件尺寸來縮小系統(tǒng)尺寸
.加快了上市時(shí)間，簡化了生產(chǎn)過程
-使用更少的元件實(shí)現(xiàn)功能豐富的設(shè)計(jì)
-由DSC軟件執(zhí)行功率因數(shù)校正
-降低因元件容差/參數(shù)漂移而引起的設(shè)計(jì)復(fù)雜度
-利用軟件以更少的硬件平臺支持各種各樣的最終產(chǎn)品
-消除了生產(chǎn)線調(diào)整—無元件容差問題
-允許下生產(chǎn)線后進(jìn)行配置(負(fù)載限制和通信協(xié)議等)
-提高了自測功能，簡化和加快了產(chǎn)品測試
.新的高性價(jià)比特性
-適應(yīng)變化的負(fù)載(容性、感性、阻性和電流需求)
-更好的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范 —不僅限于線性技術(shù)
-管理電壓的變化，避免元件參數(shù)超出規(guī)范限定
.增加了可靠性
-限制電源的工作參數(shù)不會(huì)超出規(guī)范限定
-元件數(shù)量的減少有助于可靠性的提高
-成本較低的冗余選項(xiàng)
.保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)
-由存儲在受保護(hù)閃存中的軟件實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的創(chuàng)新IP。

數(shù)字回路結(jié)構(gòu)

許多不同的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均可通過使用現(xiàn)代DSC技術(shù)的數(shù)字回路控制實(shí)現(xiàn)。圖1描繪了一個(gè)已大大簡化的控制電源轉(zhuǎn)換的數(shù)字回路結(jié)構(gòu)示例。
虛線框內(nèi)的所有組件均包含在DSC內(nèi)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字回路，首先必須使用ADC對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本例中，運(yùn)行在DSC中的軟件對采樣進(jìn)行處理以執(zhí)行控制電源所必需的電壓和電流控制回路。這些回路的執(zhí)行結(jié)果隨后被用來控制片上數(shù)字PWM模塊，由該模塊直接控制功率器件。目前基本的數(shù)字控制回路功能通常是由運(yùn)行在DSC中的軟件實(shí)現(xiàn)的，軟件執(zhí)行的是定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算。DSC的內(nèi)部架構(gòu)集單片機(jī)和數(shù)字信號處理器(DSP)的功能于一身。DSC中的DSP部分執(zhí)行基本的算術(shù)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的控制算法。例如，某些專用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC內(nèi)部具有16位的定點(diǎn)DSP引擎。

我們首先要考慮的是對實(shí)現(xiàn)可靠而經(jīng)濟(jì)有效的轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要的實(shí)際問題。

要達(dá)到可靠、高效且功率密度大的目標(biāo)，用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC自身必須能提供實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的絕大多數(shù)組件。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槿绻麛?shù)字電源設(shè)計(jì)方案需要許多外部支持芯片的話，這三個(gè)目標(biāo)將會(huì)受到影響。

圖2是配備有實(shí)現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源轉(zhuǎn)換所必需的組件的DSC示例的基本框圖。有助于減少元件數(shù)量和增加電源可靠性的特定外設(shè)和功能有：
1.  內(nèi)部數(shù)字PWM。用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的DSC應(yīng)具有一個(gè)專為驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)換電橋而設(shè)計(jì)的高速數(shù)字PWM。
2.  內(nèi)部ADC。數(shù)字電源轉(zhuǎn)換需要DSC帶有一個(gè)具有特殊觸發(fā)和采樣/保持功能的高性能ADC。
3.  內(nèi)部模擬比較器。片內(nèi)模擬比較器有助于實(shí)現(xiàn)特定的高速控制算法，如限流算法。比較器應(yīng)在內(nèi)部與數(shù)字PWM模塊相連并配備有可編程內(nèi)部參考電壓模塊。
4.  內(nèi)部電源管理。DSC內(nèi)部的電源管理子系統(tǒng)提供欠壓復(fù)位和上電復(fù)位功能，以及允許DSC實(shí)現(xiàn)單電源供電的內(nèi)部電壓。
5.  內(nèi)部高精度RC振蕩器。該高精度RC振蕩器和內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)電路提供驅(qū)動(dòng)處理器和高速外設(shè)所需的所有時(shí)鐘信號。
6.  內(nèi)部通信外設(shè)。器件應(yīng)具有與系統(tǒng)中其他部分通信所必需的通信外設(shè)。
7.  內(nèi)部閃存和RAM。器件必須包含運(yùn)行軟件所需的內(nèi)部存儲器。一般來說，具備閃存而不是ROM很重要，因?yàn)殚W存可存儲專為各種最終產(chǎn)品而編寫的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換軟件，使軟件具有充分的靈活性。
8. 小尺寸。DC至DC的應(yīng)用對空間有一定的限制，因此DSC必須以小封裝形式提供。
9.  擴(kuò)展級溫度。對于許多高功率密度應(yīng)用，電源的工作溫度較高，這就要求DSC可承受更大的溫度范圍。