開關(guān)電源的數(shù)字控制實現(xiàn)方案

1、 第 1 頁 共 4 頁 開關(guān)電源的數(shù)字控制實現(xiàn)方案開關(guān)電源的數(shù)字控制實現(xiàn)方案 盡管業(yè)內(nèi)不少人都認為， 模擬和數(shù)字技術(shù)很快將爭奪電源調(diào)整器件控制的主導(dǎo)權(quán)，但實際狀況是，在反饋回路控制方面，這兩種技術(shù)看起來正開心地共存著。 確實， 許多供給商都提供了不同的計劃。 一些數(shù)字控制最初的可編程優(yōu)勢現(xiàn)在甚至在采納模擬反饋回路的控制器和穩(wěn)壓器中也有了。 固然， 數(shù)字電源還是有一些吸引人之處。 本文主要研究脈沖寬度調(diào)制()、脈沖密度調(diào)制(pdm)和脈沖頻率調(diào)制(pfm)開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器 ic。 其中一些集成了控制實際開關(guān)的一個或多個晶體管的驅(qū)動器，另一些則沒有。還有一些甚至集成了開關(guān) fet，假如它們提供

2、合適的負荷的話。 因此， 數(shù)字還是模擬的問題取決于穩(wěn)壓器的控制回路如何閉合。 圖 1 顯示了兩種最頻繁的 pwm 開關(guān)拓樸布局的變幻，降壓和升壓(buck/boost)轉(zhuǎn)換器。在同步配置中，其次只晶體管將取代。在某種意義上來講，脈沖寬度調(diào)制的采納使得這些轉(zhuǎn)換器“準數(shù)字化”，起碼可與基于一個串聯(lián)旁路元件的 723 型線性穩(wěn)壓器相比。實際上，pwm使得采納數(shù)字控制回路成為可能。不過，圖 1 中的轉(zhuǎn)換器缺少控制一個或幾個開關(guān)占空比的電路，它可在模擬或數(shù)字域中實現(xiàn)。 不管采納模擬還是數(shù)字技術(shù)，都有兩種方式實現(xiàn)反饋回路：模式和模式。容易起見，首先考慮它在模擬域中如何實現(xiàn)。 圖 1: 沒有控制器的開關(guān)模式

3、 dc-dc 電源非常容易。不論用于升壓還是降壓，其勝利與否取決于設(shè)計者如何支配一些基本的元器件。 在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個與斜坡信號相比較的小誤差信號(圖 2)，當電路輸出電壓變幻時，誤差電壓也產(chǎn)生變幻，后者反過來轉(zhuǎn)變的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發(fā)生變幻。這些脈沖控制穩(wěn)壓器開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時光。隨著輸出 第 2 頁 共 4 頁 電壓上升，脈沖寬度將變小。 圖 2: 電壓模式反饋(本例中在模擬域)包含一個控制回路。 電流模式控制的一個優(yōu)勢在于其管理電流的能力。 一個采納電流模式控制的穩(wěn)壓器具有一個嵌套在一個較慢的電壓回路中的電流回路。 該內(nèi)回路感應(yīng)開關(guān)晶體

4、管的峰值電流， 并通過一個脈沖一個脈沖地控制各晶體管的導(dǎo)通時光，使電流保持恒定。 與此同時，外回路感應(yīng)直流輸出電壓，并向內(nèi)回路提供一個控制電壓。在該電路中， 電感電流的斜率生成一個與誤差信號相比較的斜坡。 當輸出電壓下跌時，控制器就向負載提供更大的電流(圖 3)。 圖 3: 電流模式反饋采納了嵌套反饋回路。與電壓模式不同，它需要計入電感上的電流。 在這些控制拓樸中，在回路的相移達到 360的隨意頻率處，控制回路的增益不能超過 1。相移包括了將控制信號饋入反饋運放的倒相輸入端所產(chǎn)生的固有 180相移、和其它有源元件的附加延遲、以及由和電感(特殊是輸出的大電容)引入的延遲。 穩(wěn)定回路要求對一定頻率

5、范圍內(nèi)的增益變幻和相移舉行補償。 傳統(tǒng)上，采納模擬 pwm 來穩(wěn)定電源通常需要采納閱歷辦法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實際電路板上，試驗各種無源器件的不同組合，并觀看在電源電壓和負載需求變幻時的電路時光域響應(yīng)。最近，事情已變得很容易。由于現(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實現(xiàn)了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個值”的功能。 數(shù)字控制回路 數(shù)字控制的最好說明是由 artesyn 公司的 geof potter 撰寫的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制介紹白皮書，它可在上找到。 第 3 頁 共 4 頁 該白皮書描述了電壓模式控制拓樸， 但它也研究了電流模式。 大多數(shù)電壓模式控制的數(shù)字

6、實現(xiàn)計劃包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器()、 實現(xiàn)一些控制算法的微控制器或、以及一個數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器(dpwm)，該 dpwm 拾取控制器輸出并產(chǎn)生驅(qū)動執(zhí)行開關(guān)動作的一個或幾個晶體管所需的信號(圖4)。 圖 4: 電壓模式控制的數(shù)字實現(xiàn)消退了鋸齒產(chǎn)生器。在其他方面，它們與模擬實現(xiàn)緊密對應(yīng)。 首先，adc 產(chǎn)生饋入控制器的一系列輸出電壓的數(shù)字表示。控制算法是人們所認識的比例積分(pi)或比例積分/差分(pid)算法。 在一個 pid 控制器(更復(fù)雜的實例)中， 每個 adc 輸入都要執(zhí)行基于一系列系數(shù)的算法。 比例系數(shù)是與敏捷度相關(guān)的增益因子。 整數(shù)系數(shù)根據(jù)錯誤浮現(xiàn)的時光長短來調(diào)整 pwm 的占空比。 誘導(dǎo)

7、系數(shù)補償回路的時光延遲(相位更有效)。 綜合起來， pid 算法的各個系數(shù)打算了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。 控制器隨后將 adc 的輸出電壓表示轉(zhuǎn)換成維持期望的輸出電壓所需的脈沖持續(xù)時光(占空比)信息。然后，該信息被傳送至一個 dpwm，它執(zhí)行與模擬 pwm 一樣的驅(qū)動信號產(chǎn)生功能。 注重模擬和數(shù)字控制計劃管理開關(guān)晶體管的不同。模擬控制器在時鐘升高沿觸發(fā)開關(guān)晶體管成 on 狀態(tài)， 并在電壓坡度達到預(yù)設(shè)的門檻電壓時將晶體管觸發(fā)成 off 狀態(tài)；pid 控制器則計算開關(guān)晶體管 on 和 off狀態(tài)期間所需的持續(xù)時光。 理論上，模擬控制可以提供延續(xù)精度的輸出電壓。但 adc 精度和采樣率的交互作用再加上 dp

8、wm 開關(guān)速率，使事情變得有些復(fù)雜。 例如，dpwm 必需具有比 adc 更高的精度。否則，adc 輸出的 1-lsb 變幻就可能導(dǎo)致 dpwm 使輸出電壓變幻大于 1-lsb。其結(jié)果是，輸出電壓就穩(wěn)定地在兩個數(shù)值之間轉(zhuǎn)換，這個狀態(tài)被稱之為“限制性循環(huán)”。 不過，避開循環(huán)也不是輕而易舉的。這是由于要提供 dpwm 更高的精度就意味著必需提高其脈沖速率(脈沖速率打算了在任一給定時光段能 第 4 頁 共 4 頁 夠產(chǎn)生多少比特)。然而，dpwm 脈沖速率限制了它對全部來自控制器的比特舉行壓縮的時光。 artesyn 白皮書中的例子介紹了一個假設(shè)的具有1mhz 開關(guān)速率和 10 位 adc 的 dp

9、wm。計算顯示，調(diào)制器要求超過 1 ghz的脈沖速率。 固然， 如此的高速度是不切實際的， 因此數(shù)字控制器的設(shè)計者必需找到另一種替代解決計劃。一種計劃是引入一些 dpwm 時鐘顫動。穩(wěn)壓器輸出過濾器對饋入的任一脈沖串舉行平均， 這使對每個 mth 輸出脈沖的寬度舉行相當于 1 lsb 的調(diào)節(jié)成為可能。 這將脈沖串的平均值增強或降低了 1 lsb 精度的 1/m 倍。 假如在控制器輸入端的 1-lsb 使輸出脈沖串平均變幻 10mv，這將使每四個脈沖縮短相應(yīng)于 10 mv 的時光，那么通過濾波器的平均輸出電壓將降低 10mv/4或 2.5mv。 替代解決辦法 盡管幾乎全部數(shù)字控制器采納 adc 和程序存儲控制器， 但這并不是唯一可能的解決計劃。去年，zilker labs 注重到，達到最新 pentium 級處理器所要求的階躍響應(yīng)(每毫微秒數(shù)百安)，要求在控制器中采納相當快同時對功率消耗量大的 dsp。 作為一種較低功耗的替代計劃， 該公司推出了一款基于比較器(而不是adc)和狀態(tài)機(而不是程序存儲解決計劃)的控