數(shù)字電源控制系統(tǒng)詳細分析與應(yīng)用

在數(shù)字電源的所有討論中，必須區(qū)分兩個關(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術(shù)語來表達電源內(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，電源控制功能以實時方式運行。控制功能可以采用模擬或數(shù)字技術(shù)，通過采用通常對終端用戶而言是一回事的任意一種技術(shù)的電源來實現(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。

相比之下，電源管理是指一個或多個電源外部的通信和/或控制。這包括電源系統(tǒng)配置、個別電源的控制和監(jiān)視以及故障檢測通信。電源管理功能并不是實時的，這些功能以一個比電源的開關(guān)頻率慢的時間刻度工作。現(xiàn)在，這些功能開始結(jié)合模擬和數(shù)字技術(shù)。例如，電阻通常對輸出電壓進行編程，而電源時序通常需要連接至每個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，而不是對每個電源采用多個定制的互連進行時序和故障監(jiān)視。

電源控制

圖1的左邊是一個脈寬調(diào)制(PWM)IC，這個電路為標準模擬控制回路提供主要控制。一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與DC參考電壓進行比較。誤差放大器的輸出是一個強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。這個誤差信號饋入到PWM芯片，該芯片產(chǎn)生一個其脈寬由誤差信號定義的輸出脈沖。PWM輸出脈沖則控制功率級半導(dǎo)體(通常為MOSFET)的導(dǎo)通時間。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動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)一般會補償回路，以確保動態(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電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動態(tài)負載變化過程中提供一些能量存儲，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，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數(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。雖然獨立的ADC可以感應(yīng)每個參數(shù)，但是采用單個ADC并在它前面加設(shè)一個多路復(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對每個參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個數(shù)字由已知的時間段分隔。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)存存儲微控制器的控制算法，這些算法負責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計算。這些計算的結(jié)果包括誤差信號、想要的驅(qū)動器級脈寬、各種驅(qū)動器輸出的最佳延遲值以及回路補償?shù)葏?shù)。模擬系統(tǒng)的外部回路補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)啟動時下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中。

與模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)線路和負載條件的變化方面靈活得多。一般，對于給定的控制參數(shù)，模擬方法只采用一種“折衷”設(shè)置進行配置，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，在同步負載點、降壓型變換器中，死時值確保頂部和底部MOSFET不會同時導(dǎo)通。模擬控制系統(tǒng)采用固定定時網(wǎng)絡(luò)來為最差工作條件設(shè)定此死時值。但是在一般工作條件下，這個死時值比必要的更長，這會降低轉(zhuǎn)換器的效率。相比之下，數(shù)字控制回路可以根據(jù)工作條件動態(tài)地改變死時值，從而優(yōu)化POL變換器效率。

此外，模擬系統(tǒng)中的反饋回路補償必然是穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能之間的折衷。采用數(shù)字控制技術(shù)時，可能形成根據(jù)工作條件改變補償因子的非線性或自適應(yīng)控制回路。也就是說，電源或POL變換器在需要時會迅速響應(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。對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)字控制可以實現(xiàn)不連續(xù)運行模式下的工作(即電源在極低的負載條件下“跳過”交換周期)，并且不會出現(xiàn)常見的動態(tài)負載性能較差的缺點。