開關(guān)電源的數(shù)字控制實現(xiàn)方案
雖然業(yè)內(nèi)不少人都以為，模仿和數(shù)字技術(shù)很快將搶奪電源調(diào)理器件控制電路的主導(dǎo)權(quán)，但實踐狀況是，在反應(yīng)回路控制方面，這兩種技術(shù)看起來正高興地共存著。
確實，許多電源管理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)勢如今以至在采用模仿反應(yīng)回路的控制器和穩(wěn)壓器中也有了。當(dāng)然，數(shù)字電源還是有一些吸收人之處。
本文主要討論脈沖寬度調(diào)制(PWM)、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踐開關(guān)的一個或多個晶體管的驅(qū)動器，另一些則沒有。還有一些以至集成了開關(guān)FET，假如它們提供適宜的負荷的話。因而，數(shù)字還是模仿的問題取決于穩(wěn)壓器的控制回路如何閉合。
圖1顯現(xiàn)了兩種最常見的PWM開關(guān)拓樸規(guī)劃的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉(zhuǎn)換器。在同步配置中，第二只晶體管將取代二極管。在某種意義上來講，脈沖寬度調(diào)制的采用使得這些轉(zhuǎn)換器“準數(shù)字化”，至少可與基于一個串聯(lián)旁路元件的723型線性穩(wěn)壓器相比。事實上，PWM使得采用數(shù)字控制回路成為可能。不過，圖1中的轉(zhuǎn)換器短少控制一個或幾個開關(guān)占空比的電路，它可在模仿或數(shù)字域中完成。
不論采用模仿還是數(shù)字技術(shù)，都有兩種方式完成反應(yīng)回路：電壓形式和電流形式。簡單起見，首先思索它在模仿域中如何完成。
圖1: 沒有控制器的開關(guān)形式DC-DC電源非常簡單。不管用于升壓還是降壓，其勝利與否取決于設(shè)計者如何布置一些根本的元器件。
在電壓形式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個與振蕩器斜坡信號相比擬的小誤差信號(圖2)，當(dāng)電路輸出電壓變化時，誤差電壓也產(chǎn)生變化，后者反過來改動比擬器的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發(fā)作變化。這些脈沖控制穩(wěn)壓器開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間。隨著輸出電壓升高，脈沖寬度將變小。
圖2: 電壓形式反應(yīng)(本例中在模仿域)包含一個控制回路。
電流形式控制的一個優(yōu)勢在于其管理電感電流的才能。一個采用電流形式控制的穩(wěn)壓用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)晶體管的峰值電流，并經(jīng)過一個脈沖一個脈沖地控制各晶體管的導(dǎo)通時間，使電流堅持恒定。
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擬的斜坡。當(dāng)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: 電流形式反應(yīng)采用了嵌套反應(yīng)回路。與電壓形式不同，它需求計入電感上的電流。
在這些控制拓樸中，在回路的相移到達360°的恣意頻率處，控制回路的增益不能超越1。相移包括了將控制信號饋入反應(yīng)運放的倒相輸入端所產(chǎn)生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。
穩(wěn)定回路請求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移停止補償。傳統(tǒng)上，采用模仿PWM來穩(wěn)定電源通常需求采用經(jīng)歷辦法：你在一塊與消費型電路板相同規(guī)劃的實踐電路板上，實驗各種無源器件的不同組合，并察看在電源電壓和負載需求變化時的電路時間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡單。由于如今模仿控制器公司在其本人的型號產(chǎn)品上完成了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在存放器中插入一個值”的功用。
數(shù)字控制回路
大多數(shù)電壓形式控制的數(shù)字完成計劃包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、完成一些控制算法的微控制器或DSP、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: 電壓形式控制的數(shù)字完成消弭了鋸齒產(chǎn)生器。在其他方面，它們與模仿完成嚴密對應(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�？刂扑惴ㄊ侨藗兯炝�(xí)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)是與靈活度相關(guān)的增益因子。整數(shù)系數(shù)依照錯誤呈現(xiàn)的時間長短來調(diào)理PWM的占空比。誘導(dǎo)系數(shù)補償回路的時間延遲(相位更有效)。綜合起來，PID算法的各個系數(shù)決議了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。
控制器隨后將ADC的輸出電壓表示轉(zhuǎn)換成維持希冀的輸出電壓所需的脈沖持續(xù)時間(占空比)信息。然后，該信息被傳送至一個DPWM，它執(zhí)行與模仿PWM一樣的驅(qū)動信號產(chǎn)生功用。
留意模仿和數(shù)字控制計劃管理開關(guān)晶體管的不同。模仿控制器在時鐘上升沿觸發(fā)開關(guān)晶體管成ON狀態(tài)，并在電壓坡度到達預(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)時間。
理論上，模仿控制能夠提供連續(xù)精度的輸出電壓。但ADC精度和采樣率的交互作用再加上DPWM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變化就可能招致DPWM使輸出電壓變化大于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，防止循環(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進步其脈沖速率(脈沖速率決議了在任一給定時間段可以產(chǎn)生幾比特)。但是，DPWM脈沖速率限制了它對一切來自控制器的比特停止緊縮的時間。Artesyn白皮書中的例子引見了一個假定的具有1MHz開關(guān)速率和10位ADC的DPWM。計算顯現(xiàn)，調(diào)制器請求超越1 GHz的脈沖速率。
當(dāng)然，如此的高速度是不實在際的，因而數(shù)字控制器的設(shè)計者必需找到另一種替代處理計劃。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停止均勻，這使對每個mth輸出脈沖的寬度停止相當(dāng)于1 LSB的調(diào)整成為可能。
這將脈沖串的均勻值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。假如在控制器輸入端的1-LSB使輸出脈沖串均勻變化10mV，這將使每四個脈沖縮短相應(yīng)于10 mV的時間，那么經(jīng)過濾波器的均勻輸出電壓將降低 10mV/4或2.5mV。
替代處理辦法
雖然簡直一切數(shù)字控制器采用ADC和程序存儲控制器，但這并不是獨一可能的處理計劃。去年，Zilker Labs留意到，到達最新Pentium級處置器所請求的階躍響應(yīng)(每毫微秒數(shù)百安)，請求在控制器中采用相當(dāng)快同時對功率耗費量大的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擬器(而不是ADC)和狀態(tài)機(而不是程序存儲處理計劃)的控制器。
此外，前述簡單的降壓型或升壓型拓樸也不是完成數(shù)字穩(wěn)壓的獨一途徑。Vicor提出了一種完整不同的處理計劃，它基于比前述簡單的降壓型或升壓型拓樸要復(fù)雜得多的穩(wěn)壓器拓樸，并重新分配了電源架構(gòu)中的各個根本元素。
最后，數(shù)字控制曾是一項打破性技術(shù)，但往常數(shù)字控制的諸多益處也已呈現(xiàn)在模仿控制穩(wěn)壓器中。
固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。
穩(wěn)定回路請求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移停止補償。傳統(tǒng)上，采用模仿PWM來穩(wěn)定電源通常需求采用經(jīng)歷辦法：你在一塊與消費型電路板相同規(guī)劃的實踐電路板上，實驗各種無源器件的不同組合，并察看在電源電壓和負載需求變化時的電路時間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡單。由于如今模仿控制器公司在其本人的型號產(chǎn)品上完成了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在存放器中插入一個值”的功用。
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