數(shù)字電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例 - 全文

　　在數(shù)字電源的所有討論中，必須區(qū)分兩個(gè)關(guān)鍵的概念：功率控制和功率管理。Ericsson公司采用電源控制這個(gè)術(shù)語來表達(dá)電源內(nèi)部的控制功能，特別是器件內(nèi)部能量流的逐周期管理。這個(gè)定義包括反饋回路和內(nèi)部管理功能。與電源的開關(guān)頻率相比，電源控制功能以實(shí)時(shí)方式運(yùn)行。控制功能可以采用模擬或數(shù)字技術(shù)，通過采用通常對(duì)終端用戶而言是一回事的任意一種技術(shù)的電源來實(shí)現(xiàn)。也就是說，采用數(shù)字電源控制可能不需要終端用戶端的任何改變或新設(shè)計(jì)。

　　相比之下，電源管理是指一個(gè)或多個(gè)電源外部的通信和/或控制。這包括電源系統(tǒng)配置、個(gè)別電源的控制和監(jiān)視以及故障檢測通信。電源管理功能并不是實(shí)時(shí)的，這些功能以一個(gè)比電源的開關(guān)頻率慢的時(shí)間刻度工作。現(xiàn)在，這些功能開始結(jié)合模擬和數(shù)字技術(shù)。例如，電阻通常對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程，而電源時(shí)序通常需要連接至每個(gè)電源的專用控制線路。根據(jù)Ericsson的定義，數(shù)字電源管理意味著所有這些功能都采用數(shù)字技術(shù)。此外還采用某種數(shù)據(jù)通信總線結(jié)構(gòu)來最大限度地降低互連復(fù)雜性，而不是對(duì)每個(gè)電源采用多個(gè)定制的互連進(jìn)行時(shí)序和故障監(jiān)視。

　　電源控制

　　圖1的左邊是一個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)IC，這個(gè)電路為標(biāo)準(zhǔn)模擬控制回路提供主要控制。一個(gè)電阻分壓器對(duì)電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與DC參考電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)強(qiáng)度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號(hào)。這個(gè)誤差信號(hào)饋入到PWM芯片，該芯片產(chǎn)生一個(gè)其脈寬由誤差信號(hào)定義的輸出脈沖。PWM輸出脈沖則控制功率級(jí)半導(dǎo)體(通常為MOSFET)的導(dǎo)通時(shí)間。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動(dòng)器電路有必要有效率地導(dǎo)通和關(guān)斷它們。固定電阻電容網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)補(bǔ)償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

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　　電源的兩個(gè)其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。這些部分由感應(yīng)器、電容和電阻構(gòu)成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護(hù)電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化過程中提供一些能量存儲(chǔ)，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò)以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲(chǔ)能量以幫助維護(hù)負(fù)載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對(duì)于模擬或數(shù)字控制結(jié)構(gòu)而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

　　典型數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1的右邊所示。輸出電壓感應(yīng)排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成了二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數(shù)的值非常有用。雖然獨(dú)立的ADC可以感應(yīng)每個(gè)參數(shù)，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設(shè)一個(gè)多路復(fù)用路往往更加有效。多路復(fù)用器(MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個(gè)輸入發(fā)送至ADC。

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對(duì)每個(gè)參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個(gè)數(shù)字由已知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼?nèi)存存儲(chǔ)微控制器的控制算法，這些算法負(fù)責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果包括誤差信號(hào)、想要的驅(qū)動(dòng)器級(jí)脈寬、各種驅(qū)動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補(bǔ)償?shù)葏?shù)。模擬系統(tǒng)的外部回路補(bǔ)償元件不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數(shù)的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性內(nèi)存中，或者可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中。

　　與模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)線路和負(fù)載條件的變化方面靈活得多。一般，對(duì)于給定的控制參數(shù)，模擬方法只采用一種“折衷”設(shè)置進(jìn)行配置，而數(shù)字控制則具備根據(jù)轉(zhuǎn)換器的工作條件改變控制參數(shù)的能力。比如，在同步負(fù)載點(diǎn)、降壓型變換器中，死時(shí)值確保頂部和底部MOSFET不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。模擬控制系統(tǒng)采用固定定時(shí)網(wǎng)絡(luò)來為最差工作條件設(shè)定此死時(shí)值。但是在一般工作條件下，這個(gè)死時(shí)值比必要的更長，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率。相比之下，數(shù)字控制回路可以根據(jù)工作條件動(dòng)態(tài)地改變死時(shí)值，從而優(yōu)化POL變換器效率。

　　此外，模擬系統(tǒng)中的反饋回路補(bǔ)償必然是穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能之間的折衷。采用數(shù)字控制技術(shù)時(shí)，可能形成根據(jù)工作條件改變補(bǔ)償因子的非線性或自適應(yīng)控制回路。也就是說，電源或POL變換器在需要時(shí)會(huì)迅速響應(yīng)，而在其它情況下則響應(yīng)較慢。這種技術(shù)還有其它優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于給定的電壓容差而言，需要較少的輸出去耦電容，從而節(jié)省了成本和元器件空間。數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)運(yùn)行模式下的工作(即電源在極低的負(fù)載條件下“跳過”交換周期)，并且不會(huì)出現(xiàn)常見的動(dòng)態(tài)負(fù)載性能較差的缺點(diǎn)。

　　數(shù)字電源管理

　　數(shù)字電源管理是指以數(shù)字方式從內(nèi)部工作的外面控制和監(jiān)視板上的電源，例如，控制多個(gè)電源導(dǎo)通和關(guān)斷的順序，同時(shí)確保每個(gè)器件都符合其電壓裕量規(guī)格。這些問題對(duì)于確保需要多個(gè)電源用于其低壓內(nèi)核和多電壓級(jí)I/O庫的DSP和FPGA這樣的器件的正常工作而言至關(guān)重要。

　　如今的數(shù)字電源管理系統(tǒng)通常采用由通過數(shù)字通信總線與中央控制器件通信的板上安裝電源(BMPS)組成的基本架構(gòu)。BMPS可以是隔離的DC/DC電源模塊或者是非隔離的負(fù)載點(diǎn)(POL)變換器。中央控制器件也有多種形式，如專用的電源管理IC、微控制器或者FPGA中的空閑門。中央控制器件通常被稱為“主控器”(master)或者“主機(jī)”(host)，而受控制的BMPS通常是指“從屬器件”(slave)。對(duì)于絕大多數(shù)系統(tǒng)而言，主機(jī)具有由單個(gè)系統(tǒng)板組成的控制域。在一些大型系統(tǒng)中，這種主機(jī)將與系統(tǒng)中其它位置的更高級(jí)別的控制器交互，或許甚至通過遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通信。圖2是單板電源系統(tǒng)的示例圖。

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　　應(yīng)用示例

　　隨著板上電平數(shù)的增加，系統(tǒng)電源管理的復(fù)雜性也在相應(yīng)地提高。對(duì)于電壓順序控制而言，必須針對(duì)正常的啟動(dòng)和關(guān)閉操作以及故障狀況對(duì)順序控制的先后順序、斜升時(shí)間和延遲進(jìn)行控制。所有這些都很容易通過數(shù)字管理來實(shí)現(xiàn)，并且不需要采用模擬控制和定時(shí)元器件。事件驅(qū)動(dòng)型順序控制也可以輕松進(jìn)行配置，例如，在導(dǎo)通BMPS #2之前檢驗(yàn)BMPS #1的性能參數(shù)。

　　電壓裕量用于生產(chǎn)最后階段的邊界測試，以驗(yàn)證器件的魯棒性。在不同的組合中，電壓可能在±5%的范圍內(nèi)變化。采用數(shù)字通信總線，這就可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且不需要任何額外的硬件或者互連。圖3為順序控制和裕量的示例圖。

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　　事實(shí)上，數(shù)字電源管理在整個(gè)電源和系統(tǒng)的生命周期內(nèi)都有用。在最初的電源生產(chǎn)階段，自動(dòng)測試裝置(ATE)可以配置輸出電壓修整、過流、過壓和過溫跳變點(diǎn)，以及載入日期代碼和序列號(hào)等參數(shù)。在電源系統(tǒng)優(yōu)化階段，設(shè)計(jì)工程師可以通過將總線與膝上型電腦相連，利用與電源相連的數(shù)字接口來測量溫度、電壓和輸出電流，從而為故障保護(hù)電路設(shè)置跳變點(diǎn)以及優(yōu)化電源順序控制。

　　在板和系統(tǒng)的裝配和測試階段，ATE可以采用數(shù)字電源管理接口來進(jìn)行電壓裕量測試、電壓監(jiān)視和修整、轉(zhuǎn)換效率的測量以及序列號(hào)和日期代碼的記錄。如果設(shè)計(jì)工程師在板上放置了一個(gè)永久的主機(jī)控制器以備正常工作期間使用的話，那么實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的啟動(dòng)和關(guān)閉順序控制就輕而易舉了，而且無需額外的元器件和互連。工作溫度很容易進(jìn)行監(jiān)控以調(diào)整系統(tǒng)風(fēng)扇速度。效率可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在故障發(fā)生之前檢測到性能下降的情況。開發(fā)故障檢測和管理程序時(shí)可以考慮到系統(tǒng)其它位置的狀況。

　　重要的是，采用數(shù)字配置不一定在用戶的終端系統(tǒng)中甚至在生產(chǎn)過程中需要主機(jī)控制器或者數(shù)字總線。如果配置要求已知并且相對(duì)固定，電源制造商就可以在生產(chǎn)期間輕松地對(duì)其進(jìn)行編程，而無需改動(dòng)任何硬件?？蛻艨梢韵駥?duì)待傳統(tǒng)的模擬器件一樣使用電源。

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