實(shí)現可靠的高性能數字電源

引言

諸如AC至DC和DC至DC SMPS等傳統電源產(chǎn)品均采用了一種模擬控制回路來(lái)對PWM模塊、集成電路(開(kāi)關(guān)電源)和功率器件進(jìn)行基本控制，并在這一基礎上添加了由單片機執行的數字信號控制和通信功能。但是，在數字電源中，模擬控制回路被數字控制回路所取代，并且PWM模塊通常集成在執行高級控制和通信的同一顆單片機中。
 
圖 1   數字回路結構示例
 
圖 2   用于數字電源轉換的DSC示例框圖

為了更好地理解數字電源的架構選擇和關(guān)鍵性能參數，最好先搞清楚使用數字回路的好處。通過(guò)采用數字回路控制來(lái)實(shí)現電源轉換，可使開(kāi)發(fā)人員的設計和業(yè)務(wù)大大受益。通過(guò)可再編程軟件執行電源轉換控制的功能以及DSC(數字信號控制器)解決方案的性能和功能正是這些益處產(chǎn)生的原因。以下羅列了使用數字回路的好處：

.增加了功率密度
-通過(guò)減少元件數量和縮小元件尺寸來(lái)縮小系統尺寸
.加快了上市時(shí)間，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程
-使用更少的元件實(shí)現功能豐富的設計
-由DSC軟件執行功率因數校正
-降低因元件容差/參數漂移而引起的設計復雜度
-利用軟件以更少的硬件平臺支持各種各樣的最終產(chǎn)品
-消除了生產(chǎn)線(xiàn)調整—無(wú)元件容差問(wèn)題
-允許下生產(chǎn)線(xiàn)后進(jìn)行配置(負載限制和通信協(xié)議等)
-提高了自測功能，簡(jiǎn)化和加快了產(chǎn)品測試
.新的高性?xún)r(jià)比特性
-適應變化的負載(容性、感性、阻性和電流需求)
-更好的瞬態(tài)響應規范 —不僅限于線(xiàn)性技術(shù)
-管理電壓的變化，避免元件參數超出規范限定
.增加了可靠性
-限制電源的工作參數不會(huì )超出規范限定
-元件數量的減少有助于可靠性的提高
-成本較低的冗余選項
.保護知識產(chǎn)權
-由存儲在受保護閃存中的軟件實(shí)現關(guān)鍵的創(chuàng )新IP。

數字回路結構

許多不同的電源轉換拓撲結構均可通過(guò)使用現代DSC技術(shù)的數字回路控制實(shí)現。圖1描繪了一個(gè)已大大簡(jiǎn)化的控制電源轉換的數字回路結構示例。
虛線(xiàn)框內的所有組件均包含在DSC內。要實(shí)現數字回路，首先必須使用ADC對模擬信號進(jìn)行轉換。本例中，運行在DSC中的軟件對采樣進(jìn)行處理以執行控制電源所必需的電壓和電流控制回路。這些回路的執行結果隨后被用來(lái)控制片上數字PWM模塊，由該模塊直接控制功率器件。目前基本的數字控制回路功能通常是由運行在DSC中的軟件實(shí)現的，軟件執行的是定點(diǎn)算術(shù)運算。DSC的內部架構集單片機和數字信號處理器(DSP)的功能于一身。DSC中的DSP部分執行基本的算術(shù)運算以實(shí)現數字電源轉換的控制算法。例如，某些專(zhuān)用于數字電源轉換的DSC內部具有16位的定點(diǎn)DSP引擎。

我們首先要考慮的是對實(shí)現可靠而經(jīng)濟有效的轉換器至關(guān)重要的實(shí)際問(wèn)題。

要達到可靠、高效且功率密度大的目標，用于數字電源轉換的DSC自身必須能提供實(shí)現轉換所必需的絕大多數組件。這一點(diǎn)很重要，因為如果數字電源設計方案需要許多外部支持芯片的話(huà)，這三個(gè)目標將會(huì )受到影響。

圖2是配備有實(shí)現可靠的高性能數字電源轉換所必需的組件的DSC示例的基本框圖。有助于減少元件數量和增加電源可靠性的特定外設和功能有：
1.  內部數字PWM。用于數字電源轉換的DSC應具有一個(gè)專(zhuān)為驅動(dòng)電源轉換電橋而設計的高速數字PWM。
2.  內部ADC。數字電源轉換需要DSC帶有一個(gè)具有特殊觸發(fā)和采樣/保持功能的高性能ADC。
3.  內部模擬比較器。片內模擬比較器有助于實(shí)現特定的高速控制算法，如限流算法。比較器應在內部與數字PWM模塊相連并配備有可編程內部參考電壓模塊。
4.  內部電源管理。DSC內部的電源管理子系統提供欠壓復位和上電復位功能，以及允許DSC實(shí)現單電源供電的內部電壓。
5.  內部高精度RC振蕩器。該高精度RC振蕩器和內部鎖相環(huán)(PLL)電路提供驅動(dòng)處理器和高速外設所需的所有時(shí)鐘信號。
6.  內部通信外設。器件應具有與系統中其他部分通信所必需的通信外設。
7.  內部閃存和RAM。器件必須包含運行軟件所需的內部存儲器。一般來(lái)說(shuō)，具備閃存而不是ROM很重要，因為閃存可存儲專(zhuān)為各種最終產(chǎn)品而編寫(xiě)的數字電源轉換軟件，使軟件具有充分的靈活性。
8. 小尺寸。DC至DC的應用對空間有一定的限制，因此DSC必須以小封裝形式提供。
9.  擴展級溫度。對于許多高功率密度應用，電源的工作溫度較高，這就要求DSC可承受更大的溫度范圍。