推動電源創(chuàng)新與定制的數(shù)字反饋回路

出于更好的功率調(diào)節(jié)和更嚴密的安全性考慮，需要高效而智能的電源――可以從外部進行監(jiān)控，制造上更具成本效益，且硬件改動極小的電源。電源工程的發(fā)展已經(jīng)表明：功率轉(zhuǎn)換反饋回路的數(shù)字控制使得設(shè)計人員能夠以更低的成本開發(fā)出更精確、可靠的電源，且電源的功率密度更高，可以更快上市。

在DC/DC轉(zhuǎn)換額定功率100W和AC/DC轉(zhuǎn)換額定功率250W的電源中，使用模擬反饋電路仍然是有道理的。但是，在功能要求更高、額定功率更大的電源中，功率轉(zhuǎn)換反饋回路的數(shù)字控制就變得至關(guān)重要，因為它能克服固定模擬方法所具有的大部分局限性。例如，容性負載可能會顯著影響電源的穩(wěn)定性。盡管設(shè)計模擬反饋系統(tǒng)時，可以處理容性負載，但負載電容的顯著變化可能會超出設(shè)計的相位和增益裕量。而數(shù)字反饋系統(tǒng)的優(yōu)點之一是能夠隨時調(diào)整補償，這樣反饋就能實時地對變化范圍較寬的負載特性進行補償。
一直到不久前，數(shù)字反饋系統(tǒng)的使用仍相當有限，原因是數(shù)字反饋系統(tǒng)被認為是復(fù)雜的，所需DSP的成本不低以及外設(shè)的能力有限。不過，經(jīng)過一定的培訓(xùn)，人們頭腦中對數(shù)字反饋系統(tǒng)的復(fù)雜性印象開始逐漸減弱；同時，數(shù)字信號控制器DSC的引入也減輕了成本和外設(shè)功能等方面問題。

DSC把MCU的外觀和DSP的計算處理能力結(jié)合在一起。最終得到的DSC既展現(xiàn)了DSP的數(shù)學(xué)性能，又保持了外設(shè)的靈活性以及復(fù)雜而協(xié)調(diào)的功能。DSC顯著降低了設(shè)計的復(fù)雜度，但又沒有犧牲CPU性能。實際上，憑借上述特性，采用DSC的設(shè)計要比DSP設(shè)計簡單得多，因為很多DSC產(chǎn)品都具有電源友好的片上外設(shè)。這樣的外設(shè)包括基于計數(shù)器的脈寬調(diào)制模塊、模擬比較器以及ADC等；從而能夠進行基于模擬比較器的反饋和ADC采樣。這些功能，再加上單時鐘周期的快速乘法，使得DSC能夠輕松處理電源控制回路軟件所需的高執(zhí)行速度。

由于DSC的性能，再加上高功率設(shè)計的較低開關(guān)頻率，即使是一塊帶有恰當外設(shè)、性能普通的DSC也能輕松地處理多個控制回路。這意味著，單個芯片不僅能夠改善電源的響應(yīng)特性，還能夠同時改善多個獨立輸出的響應(yīng)特性。

在開始電源設(shè)計之前，設(shè)計人員必須做出三項決策：
1 設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)
2 工作模式
3 控制方法
拓撲結(jié)構(gòu)主要由設(shè)計中輸入至輸出的電壓比決定。工作模式取決于拓撲結(jié)構(gòu)、需要的輸出電流以及元器件相關(guān)成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術(shù)，其次是元器件成本。我們將詳細討論它們，同時還要考慮到DSC的使用將如何影響決策。

拓撲結(jié)構(gòu)

如前所述，拓撲結(jié)構(gòu)主要由設(shè)計中輸入至輸出的電壓比決定。對于較高的輸入電壓，通常使用降壓拓撲結(jié)構(gòu)；而較低的輸入電壓則通常使用升壓拓撲結(jié)構(gòu)。然而，經(jīng)常影響拓撲結(jié)構(gòu)決策的另一個因素是：是否存在滿足功能要求同時又與所選拓撲結(jié)構(gòu)兼容的PWM控制器。說到底，如果設(shè)計人員不能產(chǎn)生合適的開關(guān)信號，使用開關(guān)式電源SMPS是不可能的。
這時，就該DSC上場了。由于DSC的外設(shè)是可編程的，就有可能產(chǎn)生單個PWM輸出、兩相或多相PWM輸出、半橋驅(qū)動輸出，甚至產(chǎn)生全H橋驅(qū)動輸出。實際上，由于DSC外設(shè)的可編程性，給定的拓撲結(jié)構(gòu)甚至不需要保持不變。DSC完全有能力從單相切換到兩相，然后再切換到三相，切換時在相與相之間都能保持恰當?shù)南嘁?。有些DSC甚至功能更強，它們提供了橋式輸出之間的死區(qū)控制，從而避免同步開關(guān)設(shè)計中的超調(diào)電流（見圖1）。

圖1 可能的DSC PWM配置

工作模式

接下來要考慮的是工作模式。通常，模擬設(shè)計要么使用連續(xù)電感電流，要么使用不連續(xù)的電感電流。這兩種選擇都有明顯的優(yōu)點。不連續(xù)的電流模式設(shè)計，即便輸出電流降到零，也能夠維持電壓穩(wěn)定。連續(xù)的設(shè)計使用更小的磁材料，能夠?qū)敵鲭妷杭y波進行更好的控制。不久之前，由于這兩種模式的反饋要求不同，還不可能有效地把它們組合在一起。現(xiàn)在，這一組合已成為可能了。
但是，在工作時可以實時地重新配置DSC的可編程外設(shè)。這就意味著采用DSC的設(shè)計能夠在工作模式之間進行切換；當輸出電流足以使工作穩(wěn)定運行時切換到連續(xù)模式，而當輸出電流下降得過低時切換到不連續(xù)模式。

模擬設(shè)計當然能夠進行類似的切換，盡管如此，模擬設(shè)計卻需要兩條反饋通道（每種模式一條），切換時將產(chǎn)生瞬間毛刺。所以，DSC就多了一個優(yōu)點，它只需要一條反饋通道。由于反饋是建立在軟件基礎(chǔ)之上的，就還有可能預(yù)先裝載反饋濾波器的存儲元件，從而防止出現(xiàn)切換毛刺（見圖2）。

圖2 DSC工作模式改變

控制方法

最后的決策是設(shè)計的控制方法――是使用電壓模式控制還是電流模式控制。傳統(tǒng)的模擬SMPS設(shè)計使用這兩種控制方法中的任何一種，最終的決策通常取決于成本和可用的技術(shù)。
電壓模式控制是較老的方法，大多數(shù)早期SMPS設(shè)計中使用的就是電壓模式控制；它使用斜坡信號發(fā)生器和電壓比較器把來自偏差放大器/回路濾波器的偏差信號，轉(zhuǎn)換成PWM脈沖寬度。雖然簡單，但電壓模式控制有三個基本局限。首先，沒有為保護電路元件而對電流進行限制。其次，對于輸入或輸出的瞬變響應(yīng)較慢。第三，它產(chǎn)生的反饋回路本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。

電流模式是更好更安全的控制模式，它在構(gòu)成上是雙回路的。內(nèi)電流回路用來給電感充電，一直充到由輸出電壓回路指定的峰值電流為止。外回路類似于電壓模式控制的反饋回路，它也監(jiān)控輸出和相位/頻率，補償反饋，并調(diào)節(jié)由電流回路傳輸?shù)哪芰俊?

由于內(nèi)環(huán)定期調(diào)節(jié)電感電流，電感器必然不能記憶前次脈沖，也不能把能量從一個周期傳遞給另一個周期。內(nèi)環(huán)還為晶體管提供了峰值電流保護，消除了磁性元件中的磁滯效應(yīng)，抑制了輸入電壓引起的變化，還提供了簡便的控制回路補償。

圖3 SMPS設(shè)計中，采用DSC的數(shù)字電流模式控制

在數(shù)字SMPS設(shè)計中，電流模式控制的一種有效實現(xiàn)建立在DSC使用的基礎(chǔ)之上。DSC具有片上PWM外設(shè)，其工作方式與電流模式PWM發(fā)生器一樣（見圖3）。區(qū)別在于數(shù)字反饋的輸出。電壓模式設(shè)計利用反饋來直接控制PWM的占空比；而電流模式設(shè)計則利用DSC中PWM的基于比較器的脈沖終止功能，根據(jù)電流反饋來調(diào)節(jié)脈沖寬度，來調(diào)節(jié)由數(shù)字反饋驅(qū)動的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出。

通過計算SMPS設(shè)計所需的PWM頻率和最大占空比，并使用這些參數(shù)來配置PWM計數(shù)器，就可實現(xiàn)電流模式控制。這設(shè)定了系統(tǒng)的最大占空比和脈沖頻率。接下來，設(shè)計必須調(diào)整DAC參考輸出，以便處理預(yù)期的最大范圍內(nèi)的電流反饋信號。這樣做，在控制PWM占空比時能夠提供最高的精度。最后，要開發(fā)特定的比例－積分－微分軟件程序，這是控制和穩(wěn)定系統(tǒng)所必須的。PID程序不僅為穩(wěn)定性提供了恰當?shù)姆答仯ɑ趤碜訟DC的電壓反饋），而且還必須把反饋信號與其內(nèi)部數(shù)字參考信號進行比較，輸出期望的電流設(shè)定值給DAC（DAC產(chǎn)生比較器的參考信號）（見圖3）。

數(shù)字回路控制注意事項

在SMPS應(yīng)用中使用DSC應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素是要確保片上PWM模塊能夠為電源設(shè)計提供足夠的分辨率。DSC上的ADC為系統(tǒng)提供至控制回路的狀態(tài)（反饋信號），其也應(yīng)該有足夠的分辨率和速度。接下來，重要的是挑選DSC，DSC的片上模擬比較器要為產(chǎn)生脈沖寬度提供足夠的速度。ADC可以替代比較器，用來終止PWM脈沖，但ADC得連續(xù)地監(jiān)控和處理信號。這是對處理能力的浪費，因為被監(jiān)控的信號僅僅與固定的限值進行比較。高速模擬比較器解放了處理器和ADC，讓它們執(zhí)行其他更有價值的任務(wù)，同時使得DSC能夠執(zhí)行電源故障保護和電流限制功能。

此外，如果DSC的ADC模塊能夠提供獨立的采樣保持電路，那么這樣的DSC會很有用。于是，DSC能夠在準確的時刻同時對多個電壓或電流信號進行采樣，這樣甚至能夠?qū)Τ掷m(xù)時間短暫的信號進行采樣，有助于降低系統(tǒng)成本。如果ADC能夠進行異步采樣就更好，因為它能支持工作在不同頻率下的多重控制回路，諸如運行在70kHz的功率因數(shù)校正電路和工作在250kHz的DC/DC模塊。

SMPS設(shè)計中的PID算法

圖4 PID控制循環(huán)的軟件結(jié)構(gòu)

使用PID算法（見圖4），把偏差――實際輸出電壓與期望值之差――的比例、積分和微分組合在一起，控制PWM占空比。電壓及電流模式控制回路中均可采用PID算法。同樣的，有些DSC并不需要復(fù)雜的DSP編程技能，因為它是在熟悉的MCU環(huán)境中把DSP功能當作外設(shè)來提供。
大于50%的占空比可能會出現(xiàn)電流模式的穩(wěn)定性問題。但是，通過PID軟件可以方便地進行處理，軟件設(shè)定了期望的電流大小，所以按比例縮放DAC值非常簡單。這就使得斜坡補償?shù)臄?shù)字實現(xiàn)，要比使用模擬技術(shù)更加容易；使用模擬技術(shù)的話，斜坡發(fā)生器要與PWM脈沖進行同步，還需要一個把斜坡信號與電流反饋信號相加的求和點。使用這種方法，得到的是電流模式的SMPS設(shè)計，與運行在1～2 BIPS的快速控制器相比較，設(shè)計是基于經(jīng)濟的、MIPS更低的DSC的。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC具有高精度數(shù)字PWM發(fā)生器、額定采樣速度為每秒兩百萬次的ADC、帶關(guān)聯(lián)10位參考DAC的高速模擬比較器以及30 MIPS高性能具備DSP處理能力的控制器。

PID控制循環(huán)是控制軟件的核心（見圖4）。每當ADC中斷定期發(fā)生時，就運行該軟件。諸如電壓斜坡上升/下降、偏差檢測、前饋計算這樣的系統(tǒng)函數(shù)以及通信支持程序應(yīng)該在空閑循環(huán)（Idle Loop）中執(zhí)行，其目的是要減輕PID控制軟件中不必要的工作負擔(dān)。

由于軟件中PID循環(huán)是時間要求很高的部分，為了高效使用DSC的資源，PID循環(huán)占用的可用處理器帶寬不應(yīng)該超過66%。這樣，就給設(shè)計留下了足夠的處理器能力，以便處理諸如通信等在空閑循環(huán)中執(zhí)行的函數(shù)，或者處理諸如軟啟動和定序這樣的支持函數(shù)。在基于30MIPS DSC的SMPS應(yīng)用中，PID循環(huán)由30條指令組成，執(zhí)行時間約為1μs。如果循環(huán)速度保持在500kHz（約2μs）的話，PID控制循環(huán)使用可用處理器帶寬的一半，即15MIPS。

SMPS中數(shù)字反饋控制的優(yōu)點
在電源中使用數(shù)字反饋控制有若干優(yōu)點，優(yōu)點主要是關(guān)于靈活性的，讓設(shè)計人員擁有了更多的自由，更大的創(chuàng)新空間。前面已經(jīng)提到，設(shè)計中經(jīng)常考慮的問題是：在設(shè)計實現(xiàn)時有沒有合適的技術(shù)可利用。DSC的優(yōu)點在于其可配置性，使設(shè)計人員能夠開發(fā)出針對所需設(shè)計的適當技術(shù)。例如，如果電源必須在啟動和關(guān)斷期間協(xié)調(diào)多個輸出電壓，或者必須在一組獨立的功率轉(zhuǎn)換模塊之間進行負載或電流共享，數(shù)字反饋控制無需額外支出，就能提供這樣的功能。如果使用模擬元件以這樣的方式來定制電源的話，成本將非常高昂。

另一個優(yōu)點在于能夠?qū)崟r地改變系統(tǒng)，或者說擁有“熱交換”（hot-swap）功能。例如，在電信或其他任務(wù)至關(guān)重要的應(yīng)用中，如果電源模塊出現(xiàn)故障的話，服務(wù)技術(shù)人員可以在系統(tǒng)繼續(xù)工作時，用新電源模塊來替換故障模塊。使用模擬元器件的話，這種“熱交換”功能將會非常昂貴，但如果電源是通過DSC進行數(shù)字控制的話，就極具成本效益優(yōu)勢。

此外，如果電源必須應(yīng)對不斷變化的需求的話，可以方便地對DSC重新編程，以便滿足要求；但是對于基于模擬的電源設(shè)計，就必須從頭設(shè)計新的模塊。還有，由于有片上閃存，DSC能夠簡化電源生產(chǎn)裝配線，即可以對一個批次的硬件設(shè)計進行配置，以便滿足客戶不同的電壓和/或電流要求。電源微調(diào)和校準也可以通過對DSC的閃存進行編程來實現(xiàn)，從而不需要微調(diào)電位計或由激光微調(diào)電阻。數(shù)字電源還能夠載入測試友好的軟件，用于開發(fā)板的測試，或者，基于相同的DSC硬件平臺，生產(chǎn)多種定制產(chǎn)品。

結(jié)語

關(guān)鍵之處在于，數(shù)字功率轉(zhuǎn)換的好處眾多；通過使用片上支持電源的外設(shè)的DSC，設(shè)計人員現(xiàn)在能夠以一種簡便、兼具成本效益的方式領(lǐng)略到這些優(yōu)點。數(shù)字電源讓設(shè)計人員擁有更多的自由，更大的創(chuàng)新空間，能夠設(shè)計出可靠性更高、靈活性更大且可響應(yīng)瞬態(tài)變化的電源，而且可以在生產(chǎn)末期通過固件來方便地進行定制，而不是通過硬件來進行。