數(shù)字控制環(huán)路提高電路效率與提高響應能力

持續(xù)推動功率轉(zhuǎn)換器設計的更高效率。此外，在計算處理中支持高水平能效的需求導致產(chǎn)生具有高動態(tài)行為的負載，其中處理器和外圍設備基于其工作負載激活和停用。這推動了功率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)從模擬到數(shù)字實現(xiàn)的變化。

開關模式功率轉(zhuǎn)換器的運行看起來是數(shù)字的，因為它依賴于一個離散電荷包的傳輸轉(zhuǎn)換器的另一面。該技術主要基于在離散時間點對輸出狀態(tài)進行采樣，以確定應該保持輸送電荷的開關多長時間。然而，盡管這種明顯的數(shù)字結(jié)構(gòu)，大多數(shù)實現(xiàn)都基于模擬控制電路。

在大多數(shù)開關模式電源采用的脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案下，轉(zhuǎn)換器提供一個電荷包到通過首先接通兩個并聯(lián)FET中的一個來實現(xiàn)輸出軌。高側(cè)FET激活一段時間由PWM控制器決定。在此期間，輸出電壓向輸入電壓方向上升。電流流入電感器，用作電荷的臨時存儲器。電感中的電流隨公式（Vin - Vout）/L給出的斜率線性上升。

一旦控制器關斷高側(cè)FET，低側(cè)開關將保持關閉狀態(tài)短期內(nèi)。這可以防止在兩個FET上產(chǎn)生不必要的浪費的功率。然后，低側(cè)FET被激活一小段時間，然后允許接通。然后電感電流開始以-Vout/L的斜率下降，直到低側(cè)FET關閉并且循環(huán)再次開始。結(jié)果，輸出側(cè)的電流趨于在平均水平之上和之下振蕩。通過電感和輸出電容進行濾波有助于平滑輸出到負載的電流和電壓。

為確定每個周期內(nèi)FET的導通時間，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的PWM控制器將輸出電壓與輸出電壓進行比較。參考電壓，產(chǎn)生誤差電壓。誤差信號應保持非常接近零，但隨著負載需求的變化將上升和下降。這種簡單的結(jié)構(gòu)允許使用模擬電路實現(xiàn)電路。

任何電源轉(zhuǎn)換器的一個關鍵問題是負載需求的變化與PWM控制器產(chǎn)生的補償之間存在滯后，因為它是離散的性質(zhì)?？刂苹芈返脑O計存在固有的權衡。為確保穩(wěn)定性，平均值用于防止輸出電壓中出現(xiàn)不必要的振鈴，從而導致調(diào)節(jié)失敗。通常，較慢的響應往往會使系統(tǒng)更穩(wěn)定;但是，響應電源需求變化的延遲可能導致失調(diào)，因為基于PWM的控制環(huán)路試圖跟上。試圖在這兩個極端之間進行折衷的方法是應用與誤差電壓的大小成比例的增益校正。這會以潛在的不穩(wěn)定性為代價提高響應能力。

轉(zhuǎn)向數(shù)字控制策略可以更靈活地設計控制策略。例如，通過經(jīng)典的比例，積分，微分（PID）控制架構(gòu)，基于數(shù)字或基于軟件的實現(xiàn)使得更容易調(diào)整算法的不同部分的系數(shù)，并包括額外的反饋路徑以獲得更好的響應性。 PID控制器設計用于誤差輸入，并組合應用不同策略的處理模塊的輸出。

比例項直接作用于誤差信號。如果錯誤很大，則該術語的輸出也會很大。積分項考慮了控制器的長期動作。如果許多樣本的誤差電壓仍然很大，則其輸出很大。衍生術語試圖通過分析誤差信號的變化率來展望未來。如果錯誤迅速變化，則該術語的輸出將相應地大。通過改變?nèi)齻€項的系數(shù)，控制器用戶可以很容易地改變算法的響應性和穩(wěn)定性。

數(shù)字戰(zhàn)略還可以利用多速率采樣。多速率采樣不是以恒定頻率采樣，而是使策略適應負載條件的快速變化。使用單個采樣輸入實現(xiàn)此效果的一種方法是采用可變頻率切換。如果輸出電壓開始變化更快，控制器會增加PWM頻率以適應。然而，變頻開關在電磁兼容性（EMC）方面給設計人員帶來了挑戰(zhàn)：過濾固定頻率比覆蓋更寬頻率范圍更容易。

圖1：Intersil ZL8800的方框圖。

Intersil開發(fā)了ChargeMode技術，提供了一種介紹優(yōu)勢的方法多速率采樣沒有負面影響。該技術用于ZL8800雙通道/雙相DC/DC控制器，在開關周期內(nèi)對誤差電壓進行采樣并多次計算調(diào)制信號，以便控制器可以調(diào)整PWM波形的兩個邊沿的時序。這種技術顯著減少了群延遲，因此支持非常高的帶寬操作。

ChargeMode方法的可編程特性使得通過改變內(nèi)部系數(shù)來撥入高環(huán)路增益成為可能。該控制器采用了一種新穎的策略來克服僅使用高環(huán)路增益的不穩(wěn)定性，該環(huán)路增益將PWM定時的快速變化的影響定位到一個或幾個周期。占空比突然變化的影響可以在接下來的幾個周期內(nèi)得到補償，并由ASCR塊執(zhí)行。

圖2：結(jié)構(gòu)ASCR控制回路。

補償器使用與PID控制器相似的基于反饋的算法，但差別在于補償器有兩條并行路徑用于處理量化誤差電壓?？焖俾窂揭员嚷俾窂礁叩乃俾什僮?，并且與慢速路徑不同，不包括積分器塊?？焖俾窂街饕糜谘a償占空比變化的短期影響。數(shù)學上，補償器簡化為兩極，二零濾波器。這種結(jié)構(gòu)提供了可預測的穩(wěn)定性能。

包含ASCR數(shù)字補償器的ChargeMode控制減少了誤差采樣瞬間和占空比決定之間的延遲。這轉(zhuǎn)化為高頻下的自然相位提升，從而帶來穩(wěn)定性并使高帶寬設計成為可能。 ASCR補償器只需要調(diào)整帶寬。 ASCR塊有兩個輸入：增益設置和殘差。但是，在各種輸出濾波器配置中，只需要改變ASCR增益即可達到所需的閉環(huán)帶寬操作。增益負責整體瞬態(tài)響應速度，而殘差是阻尼因子，基本上設定環(huán)路的響應速率。這可能會提高高瞬態(tài)敏感設計的性能，但默認設置適用于大多數(shù)系統(tǒng)。

圖3：不同軟件參數(shù)對脈沖的影響傳統(tǒng)的多速率采樣技術的一個潛在缺點是由于誤差電壓的過采樣而將開關頻率諧波注入反饋回路。諸如ZL8800之類的設備在快速路徑中采用了低延遲紋波濾波器來處理該問題。紋波的重復元素被拒絕。

軟件可配置數(shù)字控制環(huán)路的另一個優(yōu)點是能夠在PCB組裝后對器件行為進行編程，而不是依賴于添加無源元件，如電阻器和電容器。這提供了在制造期間更容易的原型設計以及系統(tǒng)調(diào)整。 Intersil為ChargeMode技術設備編寫的PowerNavigator軟件可以簡單配置電源控制器，并為增益和其他參數(shù)的合適設置提供指導。

由于數(shù)字控制和軟件可編程性的結(jié)合， ZL8800代表了不斷增長的功率轉(zhuǎn)換器之一，將進一步提高能效。