實(shí)現可靠的高性能數字電源

如圖5所示，異步轉換的功能在數字電源轉換應用中很重要。在異步轉換中，ADC不限于周期性采樣速率。這些應用要求采樣點(diǎn)與根據PWM模塊輸出的驅動(dòng)信號設定的精確位置對齊。采用多個(gè)ADC采樣保持電路同樣很重要，因為它們可靈活地由數字PWM外設直接觸發(fā)。由于軟件引入的抖動(dòng)，通過(guò)軟件觸發(fā)(與由數字PWM觸發(fā)相比)無(wú)法產(chǎn)生有用的結果。通過(guò)軟件觸發(fā)的方式還會(huì )因執行軟件而引入過(guò)長(cháng)的時(shí)間。

模擬比較器提供了直接在數字控制回路中執行所無(wú)法獲得的額外好處，這是由于：

.ADC無(wú)法連續監視信號。
.ADC的監視功能受ADC速度限制。如果ADC花費所有的時(shí)間監視特定的信號，它將無(wú)法監視其他任何事務(wù)。
.基于A(yíng)DC的電流監視會(huì )延長(cháng)電流測量和PWM輸出之間的延時(shí)(> 300 ns)。
.模擬比較器使電流測量和PWM輸出之間的延時(shí)約25納秒。
.模擬比較器可監視過(guò)壓或過(guò)流條件，而無(wú)需依賴(lài)處理器。
.模擬比較器無(wú)需下載處理器軟件或ADC，就可執行電流模式的控制。

一般來(lái)說(shuō)，用來(lái)執行限流或數字PWM信號的故障關(guān)斷功能的模擬比較器對于數字電源轉換的實(shí)現很重要。圖6給出了使用模擬比較器執行限流的系統示例。
 
圖6  使用模擬比較器進(jìn)行限流

模擬比較器接入數字電源系統的方式也很重要。例如，每個(gè)模擬比較器均應自帶一個(gè)10位DAC，從而允許用戶(hù)控制比較器的閾值。比較器的參考電壓必須精確而穩定，且比較器必須具有快速響應。

通常，從檢測到模擬電壓到比較器修改PWM輸出的時(shí)間應為20納秒左右。限流控制或故障響應就是在這個(gè)時(shí)間段內執行的。這個(gè)響應時(shí)間比通過(guò)軟件“查詢(xún)”技術(shù)可能花費的時(shí)間快很多，軟件技術(shù)會(huì )使用ADC和處理器軟件來(lái)修改PWM輸出，作為對條件變化的響應。

復雜的電源產(chǎn)品和數字電源轉換

將數字電源轉換技術(shù)應用到更為復雜的電源產(chǎn)品會(huì )帶來(lái)很多好處。例如，圖7給出了一個(gè)AC至DC電源的框圖。
 
圖7   數字AC至DC電源框圖

圖7中的設計被分為三個(gè)主要部分—升壓PFC、隔離的DC至DC轉換器和弱電側的一組低壓DC至DC同步降壓轉換器。在PFC電路中，交流輸入電壓被轉換為直流電壓并被升至400 V，該電路負責使設計中的電源線(xiàn)電壓失真降至最小。PFC確保電源線(xiàn)上的電流成正弦波形，與線(xiàn)電壓同相位。

PFC電路輸出的400 VDC總線(xiàn)電壓隨后被饋送給推挽式DC至DC調制器電路，該電路產(chǎn)生的脈沖電壓可應用給變壓器。變壓器隔離交流線(xiàn)路和直流輸出電壓并執行從400 VDC到12VDC的電壓轉換。然后對變壓器的輸出進(jìn)行整流和濾波。

該設計使用“中間總線(xiàn)”架構。中間總線(xiàn)電壓為12 VDC，它不直接驅動(dòng)負載而是向一組同步降壓轉換器供電。這些轉換器將中間電壓轉換為最終輸出電壓。

本設計中使用了兩個(gè)DSC—一個(gè)控制PFC和推挽式電路，另一個(gè)控制降壓轉換器并將信息反饋到強電側DSC。在系統中放入這兩個(gè)DSC在保持系統兩邊全功能工作的前提下大大降低了隔離的成本和復雜度。隔離可被限制為隔離用于處理器間串行通信的兩個(gè)數字信號，能以低廉而可靠的方式實(shí)現。這樣的設計消除了對模擬信號進(jìn)行隔離的需要。系統中DSC的價(jià)格應足夠低，體積應足夠小，從而可在必要時(shí)在一個(gè)設計中使用多個(gè)。

目前許多SMPS使用“硬開(kāi)關(guān)”，其中晶體管的導通與關(guān)斷與施加給晶體管的信號的電流相位和電壓無(wú)關(guān)。

在硬開(kāi)關(guān)轉換器中，電壓和電流同相，因此開(kāi)關(guān)功率損耗與開(kāi)關(guān)頻率和時(shí)間直接成正比。這種情況下開(kāi)關(guān)時(shí)間很可能與實(shí)際所能達到的時(shí)間一樣短。為進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)發(fā)了SMPS拓撲結構和控制方案，以將開(kāi)關(guān)過(guò)程中晶體管電壓相對于其電流的相位進(jìn)行移動(dòng)。如果開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓或電流為零，則開(kāi)關(guān)功率損耗為零。

采用“軟開(kāi)關(guān)”可提高電源的效率、降低其成本并增加可靠性。此外，通過(guò)實(shí)現較高的開(kāi)關(guān)速率，可使用更小的儲能器件和磁性元件，從而進(jìn)一步降低系統成本和尺寸。通過(guò)使用軟開(kāi)關(guān)，還會(huì )降低系統中產(chǎn)生的熱量，因而會(huì )使儲能器件和磁性元件具有更大的裕量—從而進(jìn)一步提高了系統可靠性。

訣竅是要以經(jīng)濟的方式實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，這就要求數字PWM模塊具有支持軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的額外功能。要實(shí)現各種各樣的拓撲結構和先進(jìn)的開(kāi)關(guān)技術(shù)，如上述討論的有關(guān)軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)，所選芯片上的數字PWM應相當靈活。PWM模塊中針對數字電源轉換的功能包括下述幾種工作模式所需的功能：

1. 標準。標準模式是標準的非互補的輸出模式，其中一路或兩路輸出提供相同的PWM波形。
2. 互補?；パa模式在一個(gè)引腳上提供PWM輸出信號，在另一個(gè)引腳上提供與之互補的PWM信號。
3. 推挽。推挽模式在一個(gè)輸出引腳上提供標準PWM信號。在下一個(gè)周期，由另一個(gè)引腳輸出相同的PWM信號，然后這一過(guò)程不斷重復。
4. 多相。多相模式允許多個(gè)PWM發(fā)生器輸出同步的PWM信號，但這些信號之間存在相移。
5. 可變相位?？勺兿辔荒Ｊ脚c多相模式類(lèi)似，但前者信號間的相位關(guān)系是不斷改變的。
6. 電流復位。電流復位模式是一種變頻模式，由用戶(hù)指定導通時(shí)間，由外部信號或內部模擬比較器截斷導通時(shí)間使PWM輸出關(guān)斷。
7. 限流。限流模式是標準、互補、推挽、多相和可變相位模式的一種形式，其中模擬比較器或外部信號會(huì )逐周期截斷數字PWM的導通時(shí)間。

結語(yǔ)

電源產(chǎn)品中正越來(lái)越多地使用數字電源轉換技術(shù)以提高產(chǎn)品的性能、效率和功率密度。本文闡述了設計人員可用來(lái)達到這些目標的實(shí)用技巧，首先是選擇合適的硬件架構。數字電源設計的實(shí)際需求以及如何滿(mǎn)足這些需求是設計人員開(kāi)發(fā)經(jīng)濟高效的數字電源產(chǎn)品的絕對重點(diǎn)。 

使用數字技術(shù)的重要價(jià)值之一就在于它給予了設計人員創(chuàng )造和保護新知識產(chǎn)權(IP)的自由。使用新型靈活的DSC開(kāi)發(fā)數字電源轉換應用的設計人員正在嘗試使用新的技術(shù)來(lái)進(jìn)行拓撲結構和算法創(chuàng )新。由于新的IP是采用軟件而不是硬件實(shí)現的，因而可得到快速而高效的測試。