電源轉換應用中數字反饋回路的益處

　　市場(chǎng)因素正在推動(dòng)智能電源的發(fā)展，包括電源的外部控制和生產(chǎn)中的軟件配置。實(shí)現上述目標的方法之一就是在電源轉換回路中采用數字反饋控制。電源設計人員已經(jīng)在智能電源中采用了單片機（MCU）來(lái)實(shí)現通信、監視、控制和諸如上電時(shí)序、軟啟動(dòng)和拓撲控制等確定性功能。但是，就在不久前，由于沒(méi)有合適的兼具成本效率的技術(shù)，對電源轉換回路進(jìn)行完全的數字控制仍不可能。包含專(zhuān)用外設的數字信號控制器（DSC）的出現才使得完全的數字控制成為可能。

DSC使能數字反饋回路

　　設計人員常常會(huì )問(wèn)，有這么多廉價(jià)的專(zhuān)用模擬脈寬調制（PWM）控制器，為什么要選擇使用DSC來(lái)進(jìn)行數字反饋控制呢？DSC提供新的控制方法和電源轉換拓撲，而這些方法和拓撲是采用傳統的模擬電源轉換控制器無(wú)法或根本不可能實(shí)現的。在運行期間可根據輸入或負載條件的變化改變工作模式（電壓或電流）連續或不連續。DSC中實(shí)現的數字控制回路利用了閃存技術(shù)，允許利用標準平臺設計，針對不同用戶(hù)對系統進(jìn)行配置和校準，從而降低了庫存和NRE成本并縮短了上市時(shí)間。

　　圖1所示功能框圖描繪了一個(gè)基于典型DSC架構的同步降壓轉換器SMPS控制系統，這種系統將快速的算術(shù)運算和基于計數器的PWM模塊等控制外設，與模擬比較器的反饋和與其協(xié)同工作的ADC采樣相結合。

數字反饋回路的優(yōu)點(diǎn)

　　DSC的數字特性消除了典型設計中的溫漂和大量模擬元件的變化，因而可使系統誤差最小，繼而也降低了變壓器和電感等元件的尺寸和成本。如果產(chǎn)品要求設計能夠適應變化的環(huán)境，則必須能在運行時(shí)重新配置DSC的參數。采用模擬設計無(wú)法實(shí)現這一功能。

　　一個(gè)DSC可取代多個(gè)模擬控制器（如PFC和DC/DC），前提是電源轉換級之間緊密協(xié)調或對多個(gè)輸出進(jìn)行獨立的電源控制。執行多個(gè)獨立電源控制回路的能力較傳統控制器，能提供更精確的輸出調節。

　　適應性很強的系統設計也需要具備執行多個(gè)控制回路的能力。以采用模擬控制器實(shí)現的標準多相降壓轉換器為例。相與相之間的關(guān)系在設計時(shí)固定，而且特定電壓下的功能也是固定的。運用DSC采用數字控制回路實(shí)現同樣的多相降壓轉換器后，相與相之間的關(guān)系可以隨時(shí)改變來(lái)滿(mǎn)足變化的負載條件。在負載下降時(shí)，可以禁止一相來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗，而其余相可繼續工作在連續電流模式下。這與現代的V8引擎在馬力需求降低時(shí)停止汽缸運動(dòng)非常相似。

　　現在以這個(gè)采用數字控制的多相降壓轉換器為例，假設客戶(hù)可能不需要100安培條件下的1.8V輸出，而需要4相輸出(例如：1.2V @ 20A、1.8V@ 20A、2.5V @ 15 A和3.3V @ 10A)?？梢院芊奖愕卣{節數字控制器以使PWM相互關(guān)聯(lián)或相互獨立。用修改過(guò)的參數來(lái)更新DSC閃存可使基本的電源轉換電路提供不同的功能。

　　DSC讓電源設計人員能夠開(kāi)發(fā)新的電源轉換拓撲和控制策略，而這些拓撲和策略是采用現成的標準模擬PWM控制器無(wú)法實(shí)現的，除非愿意等待模擬器件供應商設計并銷(xiāo)售滿(mǎn)足需求的控制器。

　　模擬PWM控制器需要電阻和多個(gè)引腳來(lái)設置選項；而DSC使用代碼使芯片更小。模擬PWM僅提供了少數選項，而DSC則能夠完全重新配置。此外，模擬PWM通常會(huì )在上電時(shí)鎖定到一種工作模式，而DSC則可以動(dòng)態(tài)重新配置以應對變化的條件。

　　如果產(chǎn)品要求設計能夠適應變化的需求，就需要對DSC重新編程。而在模擬設計中，需要丟棄舊模塊而用一個(gè)新的來(lái)替代。通過(guò)片內閃存，DSC可以簡(jiǎn)化電源的生產(chǎn)裝配線(xiàn)——可根據客戶(hù)的電壓和/或電流要求對一個(gè)硬件設計進(jìn)行配置?？梢酝ㄟ^(guò)對閃存進(jìn)行編程來(lái)執行電源的調整和校準， 從而無(wú)需調節電位器或對電阻值進(jìn)行激光調節。

數字控制的其他優(yōu)點(diǎn)

　　采用DSC實(shí)現數字電源控制器，可向系統添加很多額外的功能，而不會(huì )增加系統成本。

　　如果產(chǎn)品要求在系統啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)，協(xié)調多路輸出電壓，DSC可以提供這樣的功能而不會(huì )增加成本。相反，在系統中部署模擬的電源時(shí)序和跟蹤器件將會(huì )非常昂貴。在故障條件下，許多產(chǎn)品要求協(xié)調多路輸出電壓。這是因為，如果一路輸出電壓發(fā)生故障，則通常必須降低或關(guān)斷其他輸出電壓以防止負載電路（如主板）進(jìn)入“栓鎖”狀態(tài)。

　　如果設計要求電源轉換過(guò)程與外部事件或其他器件同步，DSC也能在不增加成本的情況下提供這種功能。具有這種功能的標準模擬PWM控制器比普通的模擬PWM控制器要貴得多。此外，還可以將多個(gè)DSC組成菊花鏈，以提供更多相互協(xié)調的資源。

　　在特定的應用中，需要比較和監視傳感器的信息，比如那些在風(fēng)扇控制和故障檢測以及溫度監視中使用的傳感器。DSC可利用那些不被數字控制回路使用的處理器資源來(lái)執行這些額外的任務(wù)。

　　在電信和其他重要應用中，系統電源通常由多個(gè)獨立的電源模塊實(shí)現，這些模塊所提供的總電源超過(guò)了系統的需求。這樣做能夠保證在某一電源模塊出現故障時(shí)，剩下的電源模塊能繼續為系統供電。這些電源模塊用導線(xiàn)連接在一起，這會(huì )強制每個(gè)電源模塊平均地輸出所需總電源的份額。（這稱(chēng)為“負載均衡”。）DSC能在不增加成本的情況下實(shí)現負載均衡。事實(shí)上，模擬的負載均衡接口器件比許多模擬PWM控制器都昂貴。

　　與“負載均衡”相關(guān)的一個(gè)功能稱(chēng)作“熱插拔”。當負載均衡應用中的一個(gè)電源模塊發(fā)生了故障，用戶(hù)往往希望技術(shù)服務(wù)人員能在系統仍在運行的情況下將壞的電源模塊換成新的。熱插拔要求電源模塊能以受控的方式禁止和使能自身，并控制其行為以不干擾其他電源模塊的工作。采用模擬器件實(shí)現“熱插拔”功能會(huì )非常昂貴。

　　如果系統已經(jīng)要求微處理器來(lái)執行其他任務(wù)，則DSC在控制電源的同時(shí)，也能執行這些任務(wù)，因此減少了元件數，降低了成本。

　　如果系統需要錯誤記錄或通信功能，DSC能夠提供這樣的功能，而模擬控制器是不可能提供的。DSC使電源設計人員可以測量諸如功率和效率等復雜物理量。并且，DSC能使用這些信息來(lái)幫助設計人員使其響應特性適應任何變化的負載條件。

　　數字回路控制還有一個(gè)潛在特性，由于修訂工作能通過(guò)軟件完成，因而在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中無(wú)需采用昂貴的多層電路板，從而節約時(shí)間和成本。通過(guò)加載用于電路板測試的易用測試軟件或在單一硬件之上定制多個(gè)產(chǎn)品，能進(jìn)一步降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

數字回路控制的注意事項

　　對嵌入式系統設計和MCU編程等課題進(jìn)行學(xué)習可能是一個(gè)必經(jīng)的過(guò)程，特別是對于慣于采用分立式模擬電源解決方案的設計人員。幸運的是，我們提供軟件工具、參考設計和軟件庫，這些可簡(jiǎn)化學(xué)習的過(guò)程。為特定的應用選擇合適的DSC對設計成功與否至關(guān)重要，對所需的DSC功能進(jìn)行仔細的考慮，是很重要的一步。為一個(gè)應用選擇DSC要考慮的關(guān)鍵因素是要確保片內PWM模塊能為電源設計提供足夠的分辨率。DSC的片內ADC的分辨率和速度向系統提供輸入到控制回路的狀態(tài)信息（反饋），因此ADC也應具備足夠的分辨率。因此，所選擇的DSC應帶有適合電源應用的片內PWM和ADC。

　　所選的DSC還應帶有模擬比較器。這是因為ADC能持續監視信號并以不超過(guò)其最大采樣速率（單位為每秒兆次采樣（MSPS）的速度進(jìn)行采樣。但是，如果被監視的信號僅需與一個(gè)固定的限定值進(jìn)行比較，單單采用帶有ADC的DSC對處理資源是一種浪費。片內模擬比較器釋放了處理器和ADC，使之能執行其他更有價(jià)值的任務(wù)，同時(shí)仍允許選擇的DSC支持快速電源故障處理和限流功能。

　　正確的選擇以控制器為核心的DSC（如圖2中的示例）可簡(jiǎn)化實(shí)現控制算法的任務(wù)。通常，數字控制回路是以比例-積分-微分（PID）算法實(shí)現的。但是，不需要復雜的DSP編程技術(shù)來(lái)處理以控制器為核心的DSC的DSP功能。

　　現代的DSC還能提供監控功能，比如能在軟件或硬件發(fā)生故障時(shí)復位系統軟件和硬件的看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）。 WDT通過(guò)使數字控制系統復位或至少進(jìn)入安全狀態(tài)，增強了系統的可靠性。

結論

　　本文討論了數字反饋回路為電源設計人員及其設計所帶來(lái)的好處。模擬PWM控制器基本上是無(wú)功器件（某些控制器具有某種限制前饋的功能）。這意味著(zhù)它們不可能在條件大幅變化的情況下提供較好的性能。相反，在電源中實(shí)現數字反饋回路允許模擬電源轉換過(guò)程和負載變化過(guò)程。這提供了很多益處，比如，增強了可靠性，減少了元件數，能提供更好的瞬態(tài)響應以及動(dòng)態(tài)改變拓撲和從單相輸出切換到多相輸出。而且，還允許通過(guò)軟件而不是硬件在生產(chǎn)完成前對設計進(jìn)行定制。