數字電源控制系統的應用實(shí)例

在數字電源的所有討論中，必須區分兩個(gè)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(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表達電源內部的控制功能，特別是器件內部能量流的逐周期管理。這個(gè)定義包括反饋回路和內部管理功能。與電源的開(kāi)關(guān)頻率相比，電源控制功能以實(shí)時(shí)方式運行?？刂乒δ芸梢圆捎媚M或數字技術(shù)，通過(guò)采用通常對終端用戶(hù)而言是一回事的任意一種技術(shù)的電源來(lái)實(shí)現。也就是說(shuō)，采用數字電源控制可能不需要終端用戶(hù)端的任何改變或新設計。

　　相比之下，電源管理是指一個(gè)或多個(gè)電源外部的通信和/或控制。這包括電源系統配置、個(gè)別電源的控制和監視以及故障檢測通信。電源管理功能并不是實(shí)時(shí)的，這些功能以一個(gè)比電源的開(kāi)關(guān)頻率慢的時(shí)間刻度工作?，F在，這些功能開(kāi)始結合模擬和數字技術(shù)。例如，電阻通常對輸出電壓進(jìn)行編程，而電源時(shí)序通常需要連接至每個(gè)電源的專(zhuān)用控制線(xiàn)路。根據Ericsson的定義，數字電源管理意味著(zhù)所有這些功能都采用數字技術(shù)。此外還采用某種數據通信總線(xiàn)結構來(lái)最大限度地降低互連復雜性，而不是對每個(gè)電源采用多個(gè)定制的互連進(jìn)行時(shí)序和故障監視。

　　電源控制

　　圖1的左邊是一個(gè)脈寬調制(PWM)IC，這個(gè)電路為標準模擬控制回路提供主要控制。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DC參考電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。這個(gè)誤差信號饋入到PWM芯片，該芯片產(chǎn)生一個(gè)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體(通常為MOSFET)的導通時(shí)間。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。固定電阻電容網(wǎng)絡(luò )一般會(huì )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。

　　典型數字電源控制系統的結構如圖1的右邊所示。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，從而將感應電壓轉換成了二進(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的值非常有用。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)多路復用路往往更加有效。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)數字由已知的時(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ξ⒖刂破鞯目刂扑惴?，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。模擬系統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?，或者可以在系統啟動(dòng)時(shí)下載到數據內存中。

　　與模擬控制相比，數字控制在適應線(xiàn)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，模擬方法只采用一種“折衷”設置進(jìn)行配置，而數字控制則具備根據轉換器的工作條件改變控制參數的能力。比如，在同步負載點(diǎn)、降壓型變換器中，死時(shí)值確保頂部和底部MOSFET不會(huì )同時(shí)導通。模擬控制系統采用固定定時(shí)網(wǎng)絡(luò )來(lái)為最差工作條件設定此死時(shí)值。但是在一般工作條件下，這個(gè)死時(shí)值比必要的更長(cháng)，這會(huì )降低轉換器的效率。相比之下，數字控制回路可以根據工作條件動(dòng)態(tài)地改變死時(shí)值，從而優(yōu)化POL變換器效率。

　　此外，模擬系統中的反饋回路補償必然是穩定性和動(dòng)態(tài)響應性能之間的折衷。采用數字控制技術(shù)時(shí)，可能形成根據工作條件改變補償因子的非線(xiàn)性或自適應控制回路。也就是說(shuō)，電源或POL變換器在需要時(shí)會(huì )迅速響應，而在其它情況下則響應較慢。這種技術(shù)還有其它優(yōu)點(diǎn)。對于給定的電壓容差而言，需要較少的輸出去耦電容，從而節省了成本和元器件空間。數字控制可以實(shí)現不連續運行模式下的工作(即電源在極低的負載條件下“跳過(guò)”交換周期)，并且不會(huì )出現常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)負載性能較差的缺點(diǎn)。