利用數字反饋環(huán)路自由地定制電源產(chǎn)品

　　電源技術(shù)的進(jìn)步表明，電源轉換反饋環(huán)路的數字化控制可以幫助設計師創(chuàng )建具有更高功率密度的精確且可靠的電源，并且成本更低，上市速度更快。這些數字電源可以在生產(chǎn)過(guò)程中的任何時(shí)候方便地進(jìn)行定制，因為全部修改可以用軟件而非硬件實(shí)現。

　　在小于100W的直流到直流電源和小于250W的交流到直流電源中模擬反饋電路仍具有很大的意義。然而在高性能、高等級的電源中，電源轉換反饋環(huán)路的數字化控制越來(lái)越重要，因為它能克服有時(shí)由固定模擬技術(shù)引起的大多數限制。

　　例如，電容負載可能顯著(zhù)影響電源的穩定性。雖然模擬反饋系統也能處理電容負載，但負載電容的大幅變化可能超過(guò)設計的相位和增益余量。數字反饋系統的優(yōu)勢在于它能隨時(shí)改變補償方式，能讓反饋環(huán)路實(shí)時(shí)補償負載特性的更寬范圍變化。

　　轉向數字方式

　　直到最近，數字反饋系統也很少使用，因為它們非常復雜，所需DSP成本高，而且DSP外設的功能有限。然而通過(guò)培訓，人們能感覺(jué)到的復雜性正在逐漸降低，而數字信號控制器（DSC）的推出也有助于減輕與成本和外設功能有關(guān)的問(wèn)題。

　　DSC充分結合了MCU的外觀(guān)和感覺(jué)以及DSP的運算和處理能力。CPU設計采用了通常在DSP中運用的數學(xué)函數，而外設的功能和靈活性可以追溯到嵌入式控制器。因此目前的DSC既具有DSP的數學(xué)性能，也保持著(zhù)靈活性和外設的復雜對等特性。DSC極大地降低了設計復雜性，不需要消耗CPU性能就能實(shí)現設計目標。

　　事實(shí)上，在這些性能的支持下，使用DSC的設計確實(shí)要比DSP設計簡(jiǎn)單得多，因為許多DSC集成了電源專(zhuān)用的片上外設。這種外設包含了基于計數器的脈沖寬度調制（PWM）模塊、模擬比較器和模擬到數字轉換器（ADC），因此可以實(shí)現基于模擬比較器的反饋環(huán)路和ADC采樣。這些功能再加上單時(shí)鐘周期內的快速乘法能讓DSC輕易提供電源控制環(huán)路軟件所需的高執行速率。

　　DSC的功能和高功率設計的較低開(kāi)關(guān)頻率使得具有合適外設但性能適中的DSC也能輕松處理多個(gè)控制環(huán)路。這意味著(zhù)單顆芯片不僅能提高電源的響應特性，還能同時(shí)為多個(gè)獨立輸出做到這一點(diǎn)。

　　在開(kāi)始電源設計前，設計師必須作出三種基本選擇：

　　1. 設計采用什么拓撲？

　　2. 采用什么工作模式？

　　3. 采用什么樣的控制方法？

　　拓撲主要取決于設計的輸入至輸出電壓比。工作模式則取決于拓撲和所要求的輸出電流以及與元件相關(guān)的成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術(shù)以及重要性稍低的器件成本。下面將詳細討論上述每種選擇，并指出使用DSC將如何影響這些選擇。

　　拓撲

　　如上所述，拓撲主要取決于設計的輸出輸出電壓比。具有較高輸入電壓的設計通常使用降壓拓撲，而較低輸入電壓的設計通常采用升壓拓撲。然而，影響拓撲選擇的另外一個(gè)因素是具有必備特性的PWM控制器，它要與所選拓撲相兼容。畢竟，如果設計師不能產(chǎn)生正確的開(kāi)關(guān)信號，那么開(kāi)關(guān)模式的電源（SMPS）就不可能實(shí)現。

　　這正是DSC的切入點(diǎn)。由于DSC的外設是可編程的，因此可以產(chǎn)生單相PWM輸出、兩相或三相PWM輸出、半橋驅動(dòng)輸出甚至全H-橋驅動(dòng)輸出。事實(shí)上，由于DSC外設的可編程性，給定拓撲無(wú)需保持不變。

　　為了防止形成直通電流，DSC可能在橋輸出之間采用死區控制電路。

　　從單相切換到兩相然后再到三相、同時(shí)保持相位間的合理相移完全在DSC的能力范圍之內。一些DSC甚至包含了橋輸出之間的死區控制，可用來(lái)防止同步開(kāi)關(guān)設計中產(chǎn)生直通電流。

　　工作模式

　　下一個(gè)要考慮的問(wèn)題是工作模式。通常模擬設計工作在連續電感電流或非連續電感電流模式。這兩種模式具有各自的獨特優(yōu)勢。非連續電源模式設計可以保持穩定電壓，即使輸出電流小至零。而連續設計使用較小的磁性元件，對輸出電壓紋波有較嚴格的控制。直到最近業(yè)界還無(wú)法有效地整合這兩種模式，因為它們有不同的反饋要求。

　　然而，DSC的可編程外設可以在設計工作時(shí)隨時(shí)重配置。這意味著(zhù)基于DSC的設計可以在不同工作模式之間切換，當輸出電流足夠大時(shí)切換到連續模式以獲得穩定的工作，當輸出電流降到足夠低時(shí)再切換到非連續模式。

　　雖然模擬設計肯定可以執行相同的轉換，但它要求兩條反饋路徑（一種模式一條），在轉換時(shí)會(huì )有瞬時(shí)的毛刺。因此DSC還有一個(gè)額外優(yōu)勢，即只需要一條反饋路徑。由于是基于軟件的反饋技術(shù)，因此可以預加載反饋濾波器的存儲元件，從而避免出現轉換毛刺（圖2）。

　　DSC具有改變操作模式的靈活性。

　控制方法

　　最終設計選擇是在設計的控制方法方面，是使用電壓模式還是電流模式控制。傳統的模擬SMPS設計使用這兩種控制技術(shù)之一，最終取決于成本和可用技術(shù)。

　　電壓模式控制是比較老的方法，在大多數早期的SMPS設計中經(jīng)常被采用。它使用斜坡發(fā)生器和電壓比較器將來(lái)自誤差放大器/環(huán)路濾波器的誤差信號轉換為PWM脈沖寬度。簡(jiǎn)單的電壓模式控制方法有三個(gè)基本局限性。第一，沒(méi)有限流機制保護電路元件。第二，它對輸入或輸出瞬變的反應很慢。第三，它產(chǎn)生的反饋環(huán)路不穩定。

　　電流模式控制是更好和更安全的控制方法，它由雙環(huán)格式組成。內部電流環(huán)設計用于將電感充電到輸出電壓環(huán)路規定的峰值電流。外環(huán)類(lèi)似于電壓模式控制的反饋環(huán)路，主要用于監視輸出，對反饋進(jìn)行相位/頻率補償，并調節電流環(huán)傳送的能量。

　　因為內環(huán)以逐個(gè)周期為基礎調整電感電流，因此電感實(shí)際上不會(huì )記憶上個(gè)脈沖，不會(huì )運送前個(gè)周期的能量。它還能為晶體管提供峰值電流保護，消除磁性元件中的“棘輪效應”，抑制輸入電壓的變化，并提供方便的控制環(huán)路補償。

　　數字SMPS設計中電流模式控制的高效實(shí)現依賴(lài)于使用DSC。DSC具有板上PWM外設，其工作方式與電流模式PWM發(fā)生器相同（圖3）。不同點(diǎn)在于數字反饋的輸出。電壓模式設計使用反饋直接控制PWM的占空比。在電流模式設計中，DSC的PWM具有基于比較器的脈沖終止功能，可以根據電流反饋調節脈沖寬度，并且數字到模擬轉換器（DAC）的輸出由數字反饋驅動(dòng)。

　　電流模式控制是通過(guò)計算SMPS設計要求的PWM頻率和最大占空比、然后用這些參數配置PWM計數器實(shí)現的。這就設定了最大的占空比和系統的脈沖頻率。接下來(lái)設計必須調整參考DAC輸出來(lái)處理有望最大范圍的電流反饋信號。這樣做可以在控制PWM占空比時(shí)提供最高的分辨率。

　　最后，還必須開(kāi)發(fā)用于控制和穩定系統所需的特殊比例-積分-微分（PID）軟件例程。這個(gè)例程必須根據來(lái)自ADC的反饋電壓提供合適的反饋信號來(lái)實(shí)現穩定性能。另外，這個(gè)例程必須將這個(gè)反饋信號與自己內部的數字參數進(jìn)行比較，并輸出理想的電流設置給產(chǎn)生比較器參考信號的DAC（圖3）。

　　這個(gè)SMPS設計采用的是基于DSC的數字電流模式控制。

　　數字環(huán)路控制

　　SMPS設計使用DSC時(shí)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素是確保板上PWM模塊為電源設計提供足夠的分辨率。DSC的ADC要向控制環(huán)路提供狀態(tài)（反饋），因此也應具有足夠的分辨率。

　　其次，謹慎選擇DSC也很重要，DSC內置的模擬比較器必須有足夠快的速度匹配所產(chǎn)生的脈沖寬度。雖然可以用ADC替代比較器用于終止PWM脈沖，但DSC必須連續監視和處理信號。這將浪費它們的處理能力，因為被監視信號只與固定限值比較。高速模擬比較器可以解放處理器和ADC，讓它們執行其它更高價(jià)值的任務(wù)，同時(shí)幫助DSC執行電源故障和限流功能。

　　此外，DSC中的ADC模塊提供獨立的采樣保持電路是很有用的，能讓DSC以精確的時(shí)間同時(shí)采樣多個(gè)電壓或電流。這樣即使瞬時(shí)信號也可以被采樣，并且有助于降低系統成本。如果ADC可以異步采樣就更好了，因為這樣能支持工作在不同頻率的多個(gè)控制環(huán)路，如運行在70kHz的功率因素校正（PFC）電路和運行在250kHz的直流直流轉換模塊。

　　SMPS設計中的PID算法
　　利用PID算法，實(shí)際電壓與理想輸出電壓之間的比例、積分和微分誤差同時(shí)被用來(lái)控制PWM占空比。PID算法共有三種基本的形式：

　　1. 串行，或交互；

　　2. 并行，或非交互；

　　3. 理想的并行。

　　電壓和電流模式控制環(huán)路中都可以部署PID算法。另外，DSC不要求復雜的DSP編程技巧，因為它們將DSP功能作為人們熟悉的MCU環(huán)境中的外設加以提供。

　　占空比超過(guò)50%可能會(huì )產(chǎn)生電流模式的穩定性問(wèn)題。不過(guò)可以通過(guò)PID軟件設定要求的電流等級而輕松地解決這個(gè)問(wèn)題。因此很容易調整DAC值，并使得數字化方式實(shí)現斜率補償比模擬方式要容易得多，它需要一個(gè)與PWM脈沖同步的斜坡發(fā)生器和一個(gè)將斜坡與電流反饋相加的求和點(diǎn)。

　　上述技術(shù)將生成基于經(jīng)濟和較低MIPS的DSC的電流模式SMPS設計，而不是基于運行在1到2BIPS的快速控制器的設計。例如，Microchip公司提供的dsPIC30F202X DSC就包含有高分辨率數字PWM發(fā)生器、200萬(wàn)樣本每秒標稱(chēng)性能的ADC、與10位參考ADC相連的高速模擬比較器和一個(gè)30MIPS、具有DSP功能的控制器（圖4）。

　　像Microchip公司的dsPIC30F202X這種較低MIPS的經(jīng)濟型DSC并非采用運行在1到2BIPS的快速控制器，但它能提供電流模式SMPS設計的基礎。

　　PID控制環(huán)路是控制軟件的核心（圖5），它以固定時(shí)間為基礎在A(yíng)DC中斷下運行。象電壓上升/下降、誤差檢測、前向反饋計算和通信支持例程等系統功能應在？空閑環(huán)路？中執行，以便減輕PID控制軟件中不必要的工作負擔。

　　位于軟件核心的是PID控制環(huán)路結構。

　　PID環(huán)路是軟件中對時(shí)間最敏感的部分。因此為了確保DSC資源得到高效使用，環(huán)路不應使用超過(guò)66%的可用處理器帶寬。這樣才能使設計有足夠的能力處理通信等空閑環(huán)路功能，或支持軟啟動(dòng)和排序等功能。

　　在基于30MIPS DSC的SMPS應用中，這將轉換成包含有30條指令的PID環(huán)，執行時(shí)間約為1μs。按照500kHz（或2μs）的反復速率，PID控制環(huán)路使用一半的可用處理器帶寬，或15MIPS。

　自由創(chuàng )新

　　電源使用數字反饋控制有許多優(yōu)點(diǎn)。最大的優(yōu)點(diǎn)是它們具有很大的靈活性，可以讓設計師自由地創(chuàng )新設計。如上所述，設計師最關(guān)心的是實(shí)現設計所需技術(shù)的可用性。DSC的優(yōu)點(diǎn)在于其可配置性，它能讓設計師創(chuàng )建專(zhuān)門(mén)針對目標設計的合適技術(shù)。

　　例如，一個(gè)電源可能需要在啟動(dòng)和關(guān)閉期間協(xié)調多個(gè)輸出電壓，或者在一組獨立的電源轉換模塊之間執行負載或電流分擔。在這些情況下，數字反饋控制無(wú)需額外成本就能提供這樣的功能。按這些方式使用模擬器件定制電源是相當昂貴。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)對系統作出修改的能力，或叫做熱交換能力。例如，如果電信或其它任務(wù)關(guān)鍵應用中的電源模塊發(fā)生了故障，服務(wù)技術(shù)工人可以在系統不間斷工作的情況下用新的電源模塊替換掉有缺陷的電源模塊。這種熱交換功能要是使用模擬器件實(shí)現的話(huà)將非常昂貴，但如果是受DSC數字化控制的電源將極具性?xún)r(jià)比。

　　另外，如果要求電源必須能夠適應變化的要求，DSC也能輕松進(jìn)行再編程。如果是模擬的電源設計，你必須利用新的模塊重新開(kāi)始。而且由于采用了片上閃存，DSC可以簡(jiǎn)化電源生產(chǎn)組裝線(xiàn)。這意味著(zhù)單個(gè)硬件設計經(jīng)過(guò)配置可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的電壓和/或電流要求。

　　另外，通過(guò)編程DSC中的閃存可以實(shí)現電源的微調和校準。這種方法不需要微調管或激光微調電阻。數字電源還能加載測試友好的軟件進(jìn)行電路板測試，或根據相同的DSC硬件平臺生成多個(gè)定制產(chǎn)品。

　　本文小結

　　總之數字電源轉換的好處非常多，設計師可以通過(guò)使用帶電源友好型片上外設的DSC獲得方便高性?xún)r(jià)比的設計。數字電源能讓設計師自由創(chuàng )新和開(kāi)發(fā)出更高可靠性、靈活性和瞬態(tài)響應的電源，還能在生產(chǎn)后期通過(guò)修改固件而不是硬件方便地進(jìn)行定制