可增加下一代電源功能和靈活性的數(shù)字信號IC

作為下一代數(shù)字控制電源IC，Microchip Technology的數(shù)字信號控制器(DSC)IC可以為電源提供內(nèi)部數(shù)字控制。這些芯片不是首個專門用于數(shù)字控制的電源IC，但是其萬片批量單價起價僅2.99美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于任何同類產(chǎn)品。

這些器件配置在電源反饋回路中，因此速率非常關(guān)鍵。這是因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和處理器必須對輸出進(jìn)行采樣，并且必須對任何變化做出盡可能快的反應(yīng)，而Microchip Technology的數(shù)字信號控制器IC可以滿足所有這些要求。

我們先了解一下開關(guān)模式電源的基本內(nèi)部數(shù)字控制IC配置，如圖1所示。與模擬電源相比，數(shù)字信號控制器IC可以提供強(qiáng)大的故障監(jiān)視功能、更好的瞬態(tài)響應(yīng)能力以及成本更低的冗余選項。


另外，數(shù)字技術(shù)能夠消除電源的漂移效應(yīng)，并且無需溫度補(bǔ)償。利用這種數(shù)字技術(shù)，可以對操作設(shè)置進(jìn)行編程，從而無需對電源進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。

與PMBus以及Power-One的Z-One系統(tǒng)配合使用時，外部數(shù)字控制還可以設(shè)置輸出電壓并監(jiān)視電源性能。但是它們需要一個外部電源管理器或處理器以及相應(yīng)的電源接口。相比之下，數(shù)字信號控制器IC則主要通過使用固件和傳感器(某些情況下需要)就可以執(zhí)行這些任務(wù)。

數(shù)字信號控制所需的硬件平臺更少，這是因?yàn)樵谑褂孟嗤膬?nèi)部硬件時，固件也可以控制電源性能。另外，這種控制可以動態(tài)更改拓?fù)浜团渲?，包括由降壓模式變成升壓模式、由升壓模式變成降壓模式，或者由連續(xù)模式變成非連續(xù)模式。

唯一的變化就是必須使用不同的外部功率輸出極。外部數(shù)字控制可以更改電源的操作參數(shù)，但卻無法動態(tài)更改拓?fù)洹?BR>
這些DSC的一大特性是其模擬比較器可以提早終止脈寬調(diào)制(PWM)信號，該特性可實(shí)現(xiàn)逐個周期的限流，這是電流模式電源所必需的。

另外，通過增加適當(dāng)?shù)墓碳湍撤N外部硬件，數(shù)字信號控制可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制(PFC)，而模擬電源則需要多得多的硬件，并且外部數(shù)字控制無法提供這種能力。

數(shù)字信號控制打開了各種創(chuàng)新應(yīng)用的大門，使其僅僅局限于可用的功能、設(shè)計者的想像力以及可用的程序內(nèi)存。例如，這種控制器可以監(jiān)視電源內(nèi)部各個元件的性能。

此外，類似基本電路還可以用于不斷電電源(UPS)、功率反相器和數(shù)字照明等應(yīng)用，而這種靈活度是模擬電源或者外部數(shù)字控制電源無法提供的。

經(jīng)濟(jì)可行性

為了使應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可行，DSC IC必須以低成本提供所必需的高速電源功能。除了IC的價格之外，還涉及其它與成本相關(guān)的問題，比如了解數(shù)字控制設(shè)計原理和開發(fā)必需的固件所耗費(fèi)的時間和精力。但是一旦掌握了這些知識，所有的電源都可以采用類似方法進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計工程師在設(shè)計時應(yīng)該考慮兩個必要問題。第一個問題是DSC電源適用于什么樣的應(yīng)用？答案很明顯，即ac-dc(交流-直流)轉(zhuǎn)換器和dc-dc(直流-直流)轉(zhuǎn)換器。第二個問題是哪一種功率級別最經(jīng)濟(jì)可行，這完全取決于DSC IC的性能價格特性。

如今，這種控制器IC的成本僅占100W以上電源總體成本的極小部分，包括前端電源、高功率dc-dc(直流-直流)轉(zhuǎn)換器以及總線轉(zhuǎn)換器。不久的將來，隨著成本的進(jìn)一步優(yōu)化，這種DSC IC將有望用于100W以下的電源應(yīng)用中。

Microchip Technology現(xiàn)已擁有滿足速度、價格和功能等需求的DSC系列解決方案，該系列包括dsPIC30F1010、dsPIC30F-2020和dsPIC30F2023。事實(shí)上，其唯一的外部元件在功率輸出極(見圖2、圖3)。

這些器件能夠根據(jù)PWM周期調(diào)整模數(shù)采樣點(diǎn)?？膳渲玫目刂七€允許模擬比較器對隨機(jī)事件做出反應(yīng)，以防止其影響電源性能。

片上多個PWM電路可實(shí)現(xiàn)這些器件的獨(dú)立工作能力，并且不會增加處理器開銷。另外，多個PWM電路還允許并行使用多個不同功能，如電壓調(diào)節(jié)和PFC控制。

這些器件的模擬比較器可用于提早終止PWM脈沖，從而逐個周期地限流。多通道ADC可實(shí)現(xiàn)電源電壓和電流的并行采樣。

MPLAB集成開發(fā)環(huán)境支持這些IC，可滿足簡化固件開發(fā)的需要。該工具包括匯編程序、編譯程序、可視器件初始化程序以及圖形用戶接口插件選項。設(shè)計者可通過評估板熟悉典型降壓轉(zhuǎn)換器中的硬件和固件。