實(shí)現數字電源轉換的方法

模擬工程師以前在設計需要具有多路輸出、動(dòng)態(tài)負載共享、熱插拔或廣泛故障處理能力的電源時(shí)，往往需要與復雜性抗爭。利用模擬電路來(lái)實(shí)現系統控制功能并非總是經(jīng)濟有效或靈活的。采用模擬技術(shù)設計電源需要使用“過(guò)大的”元件來(lái)解決元件變化和元件漂移的問(wèn)題。即使是在克服了這些設計難點(diǎn)之后，這些電源在生產(chǎn)線(xiàn)末端還需要進(jìn)行人工調整。

那么，模擬工程師應該選擇什么來(lái)設計電源呢？工程學(xué)對這個(gè)問(wèn)題的回答是利用功率轉換反饋環(huán)路的智能數字控制來(lái)實(shí)現上述功能。單片機已使模擬設計人員能夠實(shí)現監控、控制、通信甚至確定性功能(如電源中的上電時(shí)序、軟啟動(dòng)和拓撲結構控制等)。不過(guò)，由于缺乏經(jīng)濟有效的高性能技術(shù)，以數字方式控制整個(gè)功率轉換環(huán)路還不太現實(shí)。

1 開(kāi)關(guān)電源中的DSC設計

現在，一種新型數字信號控制器(DSC)的問(wèn)世使具有智能電源外設等功能的數字轉換成為可能，因為這種器件采用基于計數器的脈沖寬度調制(PWM)模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)調模數轉換器(ADC)采樣，可以在一個(gè)單時(shí)鐘周期內進(jìn)行快速乘法。這些特性的組合有助于DSC處理控制環(huán)路軟件所需的較高執行速度。

在開(kāi)始進(jìn)行電源設計之前，需要做出以下決擇。

a選擇一種適合應用需要的拓撲結構：升壓型還是降壓型(Boost還是Buck)，隔離式(正向、半橋還是全橋)。

b選擇一種開(kāi)關(guān)技術(shù)： 硬開(kāi)關(guān)還是軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(如諧振模式或準諧振模式)，以增加電路和控制的復雜程度為代價(jià)，換取較少的開(kāi)關(guān)損耗。

c選擇一種控制方法：電壓模式還是電流模式。

電壓模式控制和電流模式控制是基于傳統模擬開(kāi)關(guān)電源(SMPS)控制技術(shù)的兩種控制方法。在電壓模式條件下，利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)來(lái)控制電源電壓施加在電感器上的時(shí)間，進(jìn)而間接地控制電感器中的電流。在電流模式控制條件下，利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)為模擬比較器創(chuàng )建一個(gè)門(mén)限值來(lái)設置峰值電感電流，從而控制平均電感電流。電壓模式可以在噪聲環(huán)境中或寬工作范圍條件下提供更高的穩定性；電流模式控制可以實(shí)現逐周期的電流限制和更快的瞬態(tài)響應，它還可防止可能導致電感器飽和并引起災難性MOSFET故障的“逐步增加的電感電流”。

d選擇PWM工作頻率。高頻PWM有助于使用更小的電感器和電容器，但是需要額外付出開(kāi)關(guān)損耗為代價(jià)。

e確定需要的控制帶寬。這在很大程度上取決于應用所期待的負載瞬態(tài)響應。

f根據估計的控制帶寬需求來(lái)分配處理器資源。雖然有多種控制算法，但是常用的技術(shù)仍是比例、積分和微分(PID)方法。使用常用PID算法，控制環(huán)路將需要以所需控制系統帶寬的八倍速度運行，以保證足夠的相位容限。在估計控制環(huán)路的延遲時(shí)，控制環(huán)路內的所有延遲都必須考慮到(參見(jiàn)“計算控制環(huán)路的延遲”部分)。

接著(zhù)，選擇一個(gè)可以滿(mǎn)足您所有或大多數設計需求的DSC。

選擇采用Microchip的SMPS dsPIC DSC--dsPIC30F2020來(lái)設計一個(gè)同步降壓式轉換器。這種DSC有一個(gè)硬開(kāi)關(guān)，可提供互補PWM模式的電壓控制模式。這種降壓式轉換器(見(jiàn)圖1)采用同步開(kāi)關(guān)，用一個(gè)MOSFET取代了電路中的整流器，因為它比標準整流器有低得多的正向電壓降。通過(guò)降低電壓降，這種降壓式轉換器的整個(gè)效率可以提高5％~10％。同步開(kāi)關(guān)與Q2需要一個(gè)次級PWM信號來(lái)補充初級PWM信號。當Q1關(guān)斷時(shí)，Q2接通，反之亦然。此外，在PWM信號的上升沿和下降沿期間，需要利用“死區”控制來(lái)防止Q1和Q2同時(shí)導通。