詳解多頻技術(shù)改進(jìn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換！

幾十年來，電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)。雖然大多數(shù)轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)技術(shù)和脈寬調(diào)制(PWM)，但出于功率半導(dǎo)體器件在處理層面上的兼容，以及成本效益的考慮，電路構(gòu)成主要為模擬。不過，這種情況正在改變。在顯著提高數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)效率的過程中，模擬技術(shù)及其電路暴露出自身的缺點(diǎn)。

數(shù)字電源管理和控制提供實(shí)時智能，便于系統(tǒng)開發(fā)人員構(gòu)建電源系統(tǒng)自動適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的變化，并優(yōu)化每種特定應(yīng)用場合的效率。智能數(shù)字電源IC可以自動補(bǔ)償負(fù)載和系統(tǒng)溫度的變化，利用自適應(yīng)死區(qū)時間控制、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、頻移、相數(shù)降低和電流不連續(xù)模式的切換來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

數(shù)字電源給人造成費(fèi)用高的感覺一直是其被快速接受的一個障礙，不過，最新推出的器件正在迅速消除模擬與數(shù)字控制之間的價格差異，例如Intersil的ZL8800。數(shù)字電源效率和成本現(xiàn)在相當(dāng)于，甚至優(yōu)于模擬電源轉(zhuǎn)換解決方案，同時具有更先進(jìn)的功能。

最重要的是，脈寬調(diào)制(PWM)、環(huán)路控制和反饋采用數(shù)字化方式。模擬信號采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換之后，微控制器、數(shù)字信號處理器或計算狀態(tài)機(jī)可以控制數(shù)字脈寬調(diào)制和反饋回路。這對于維持穩(wěn)定性具有重要優(yōu)勢，不存在模擬控制經(jīng)常出現(xiàn)的響應(yīng)速度下降問題。

雖然數(shù)字控制具有很多優(yōu)點(diǎn)，但大量廠商并沒有充分利用這種技術(shù)所具有的優(yōu)勢，許多情況下，只是核心模擬PWM技術(shù)采用數(shù)字形式。數(shù)字控制得以構(gòu)建更加靈活的控制環(huán)路，利用多頻控制調(diào)整每種算法，處理不同速度條件下發(fā)生的事件。

傳統(tǒng)數(shù)字PWM控制器使用均勻采樣。控制器采集輸出電壓誤差樣本，根據(jù)采樣結(jié)果計算下一開關(guān)周期所需的占空比。均勻采樣控制器的不足之處是，從誤差采樣到PWM控制器切換電源電路存在時延或群延。群延造成相位滯后，這種滯后隨頻率增加，并限制最大閉環(huán)帶寬。

多頻控制可以提供穩(wěn)定電源，而且?guī)缀蹩梢粤⒓磳﹄妷旱耐蝗蛔兓龀龇磻?yīng)，即在一個PWM開關(guān)周期內(nèi)做出相應(yīng)響應(yīng)。這種轉(zhuǎn)換架構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一能力的唯一方法是利用變頻開關(guān)技術(shù)，在電壓迅速變化時采用更高的頻率采樣和控制。但這種方法對許多系統(tǒng)并不適用。現(xiàn)代電信設(shè)備以及其他嚴(yán)格要求電磁兼容性的應(yīng)用需要在固定頻率下工作，以保持嚴(yán)格控制的噪聲頻譜。

另一種方法是采用與誤差電壓偏差呈線性關(guān)系的比例增益。采用比例增益的固定頻率控制可以實(shí)現(xiàn)單周期反應(yīng)，但快速響應(yīng)環(huán)路增益會導(dǎo)致不穩(wěn)。

Intersil開發(fā)的、用于ZL8800雙通道/雙相DC/DC控制器的電荷模式(ChargeMode)技術(shù)采用均勻和多頻采樣混合方法，在一個開關(guān)周期內(nèi)對誤差進(jìn)行多次采樣并計算調(diào)制信號。這種技術(shù)大大降低了群延，因此支持非常高的工作帶寬。由于縮短了群延，顯著降低了相位滯后。ZL8800還采用雙沿調(diào)制器，在總?cè)貉臃矫鎯?yōu)于與其競爭的‘前沿’調(diào)制器。

圖1顯示ZL8800雙采樣技術(shù)。采用其中任一采樣率時，總延遲(tdelay)等于ADC轉(zhuǎn)換延遲和計算延遲之和(包括通道/濾波延遲)。如圖1所示，采用更高頻率NxFsw時鐘時，ZL8800的tdelay明顯低于傳統(tǒng)均勻采樣PWM調(diào)制器。

結(jié)合高頻采樣誤差信號，ChargeMode控制器以新穎的策略消除只采用高環(huán)路增益而產(chǎn)生的不穩(wěn)定。這種策略將變化的影響定位在一個或幾個工作周期。如果占空比變化的影響延伸到下幾個周期，就會產(chǎn)生不穩(wěn)定。數(shù)字控制可保證在一個開關(guān)周期中實(shí)現(xiàn)占空比的變化來調(diào)整突然發(fā)生的電壓偏離，而不影響下一個或下幾個周期。這種技術(shù)稱為“單周期響應(yīng)”(ASCR)數(shù)字補(bǔ)償。

圖1 – ZL8800數(shù)字PWM調(diào)制補(bǔ)償器框圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)在許多方面類似常規(guī)PWM控制策略中使用的傳統(tǒng)數(shù)字比例-積分-微分 (PID)控制器，但具有明顯差別。圖中顯示補(bǔ)償器如何集成多頻采樣技術(shù)。補(bǔ)償器有兩個并行通道，用來處理量化的誤差電壓。其中一個稱為“快速通道”，以高于“慢速通道”的頻率采樣誤差電壓。采用這種新型補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，占空比命令被反饋，以確定快速通道的影響，并在后面的周期中消除快速通道的影響。

圖2 – ASCR數(shù)字補(bǔ)償器

ZL8800補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)減小即時誤差采樣以及占空比響應(yīng)的延遲。這樣可以提升高頻段的相位，從而保證穩(wěn)定性并支持高帶寬設(shè)計，如圖3所示。

采用多頻采樣和控制電路，ASCR補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制環(huán)路，只需根據(jù)帶寬規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。在很寬范圍輸出濾波器配置范圍內(nèi)，僅需調(diào)整ASCR增益即可達(dá)到所需閉環(huán)工作帶寬。為提高性能，用戶可以控制第二個參數(shù)：余量。這是一個衰減系數(shù)，主要用于設(shè)置環(huán)路的響應(yīng)速率。

圖3 – 高頻段相位提升

傳統(tǒng)多頻采樣技術(shù)的潛在缺點(diǎn)是，反饋環(huán)路中會因誤差過采樣產(chǎn)生開關(guān)頻率諧波。ZL8800在快速通道中采用低延遲紋波濾波器解決這一問題–全面濾除所有重復(fù)紋波分量。剩下的全部為波形中的非周期性分量，包括延時很短或無延時的瞬態(tài)階躍，結(jié)果是20dB以上紋波抑制以及沒有明顯延時從而有助于提高增益和帶寬。

PWM控制只是整體解決方案的一部分。由于數(shù)字控制器采用高度集成的混合信號芯片技術(shù)工藝，因此可以集成電源管理和電源轉(zhuǎn)換。

最新一代基站、路由器及其他數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施中的先進(jìn)電源系統(tǒng)，在設(shè)計上采用串行電源管理總線(PMBus)傳輸數(shù)字信令。PMBus已成為電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用數(shù)字通信總線通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。采用PMBus和基于PMBus的器件進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，具有傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)不具備的靈活性和控制能力。即使增加電源，采用PMBus也十分簡便。支持新電軌的數(shù)字電源IC含有自己的SMBus地址，可以添加到系統(tǒng)中，不必由于增加電壓軌重新編程，或增加額外的獨(dú)立電源管理IC。在PMBus支持下，新電軌可自動集成到標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控、時序控制、余量微調(diào)和故障檢測機(jī)制中。

數(shù)字控制能力可以更進(jìn)一步提高。例如，Intersil單線數(shù)字直流(DDC)串行總線可以在電源IC之間相互通信，支持復(fù)雜的分布式功能，如IC間相位-電流平衡、時序控制和故障擴(kuò)散等，消除了通常需要大量外置分立器件所構(gòu)成的復(fù)雜電源管理功能。

軟件的使用使得甚至可以在PCB組裝之后進(jìn)行器件編程，極大地方便了原型設(shè)計以及半定制子系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試。雖然一些先進(jìn)電源系統(tǒng)在利用數(shù)字電源管理器件功能的時候，可能需要用戶掌握設(shè)置命令和功能的豐富編程和編碼經(jīng)驗(yàn)，但I(xiàn)ntersil為基于ChargeMode技術(shù)的器件編寫的PowerNavigator軟件，通過USB接口簡化了對多個DDC器件的配置和監(jiān)控。這個工具利用簡單的圖形用戶界面調(diào)整數(shù)字電源設(shè)計的各種特性和功能。通過簡單的拖放界面，用戶可以輕松建立完整的電源管理環(huán)境，不必編寫一行代碼。

因此，通過結(jié)合更加先進(jìn)的數(shù)字處理、通信和軟件控制，數(shù)字電源可以提供更加高效的電源并且縮短設(shè)計周期。