數字電源技術(shù)及應用

二、數字電源的基本原理

數字電源的關(guān)鍵是電源管理、控制信號的數字化處理，其基本要求是：在保障穩定性的前提下，具有快速性、平穩性和準確性。下面以負載點(diǎn)變換器(POL)為例說(shuō)明數字電源控制功能的實(shí)現原理和方法。

負載點(diǎn)變換器(POL)通常用于將直流輸入電壓(一般為5V~12V)調節成適用于負載要求的直流輸出電壓(0.7V~3.3V)。例如，在典型的基于降壓(Buck)開(kāi)關(guān)變換器的電路中，Buck變換器包含一個(gè)脈沖寬度調制(PWM)主控制芯片，一對主功率開(kāi)關(guān)和一個(gè)由儲能電感和電容構成的低通濾波器。在脈沖寬度調制控制芯片中，一個(gè)電阻分壓器對電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號，誤差信號是一個(gè)強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過(guò)具有某種控制規律的誤差補償器(Compensator)進(jìn)行放大后，其輸出進(jìn)入脈寬調制器(PWM)，經(jīng)過(guò)與載波(通常為鋸齒波或三角波)比較之后產(chǎn)生脈沖波，從而控制功率開(kāi)關(guān)(通常為MOSFET)的導通與關(guān)斷。由于MOSFET具有較大的輸入門(mén)電容，因此驅動(dòng)器電路有必要有效率地導通和關(guān)斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡(luò )一般會(huì )作為補償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應和穩定性之間的正常平衡。

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 )。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數種功能。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(dòng)態(tài)負載變化過(guò)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(mǎn)足其輸入引起的發(fā)射規范。輸出濾波器穩定輸出電壓以確保電源滿(mǎn)足其紋波和噪聲規范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數字控制結構而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

在典型的數字電源控制系統結構中，輸出電壓感應排列類(lèi)似于模擬系統。但是，模數轉換器(ADC)代替了模擬系統的誤差放大器，從而將感應到的模擬電壓值轉換成二進(jìn)制數。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也非常有用。雖然獨立的ADC可以感應每個(gè)參數，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設一個(gè)多路復用路往往是更加常用的方法。多路復用器 (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對每個(gè)參數都輸出一系列數字，每個(gè)數字由己知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼却娲鎯χ?zhù)微控制器的控制算法，這些算法負責執行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計算。這些計算的結果包括誤差信號、想要的驅動(dòng)器級脈寬、各種驅動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補償等參數。有了這些參數，數字脈寬調制器(DPWM)就可以通過(guò)驅動(dòng)后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過(guò)一定的接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統的外部回路補償元件此時(shí)變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性?xún)却嬷?，或者可以通過(guò)PMBus輸入。在系統啟動(dòng)時(shí)，數據會(huì )由EEPROM下載到數據內存中，主芯片據此控制模塊的工作狀態(tài)。同時(shí)，可以通過(guò)一定的外部操作來(lái)重新讀入EEPROM中的默認設置。

三、數字電源的組成結構

圖1為數字控制的電源系統的典型結構框圖。系統包括模擬部分、數字部分以及模擬數字的接口電路。模擬部分主要是各種拓撲的變換電路及負載電路組成;數字部分為微處理器芯片及其外設;接口電路包括從模擬部分到數字部分的采樣網(wǎng)絡(luò )及A/D轉換器和從數字部分到模擬部分的PWM外圍電路、相應的門(mén)極驅動(dòng)電路及D/A轉換器或I/O外圍電路。

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