數(shù)字電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例 - 全文

　　在數(shù)字電源的所有討論中，必須區(qū)分兩個關(guān)鍵的概念：功率控制和功率管理。Ericsson公司采用電源控制這個術(shù)語來表達電源內(nèi)部的控制功能，特別是器件內(nèi)部能量流的逐周期管理。這個定義包括反饋回路和內(nèi)部管理功能。與電源的開關(guān)頻率相比，電源控制功能以實時方式運行?？刂乒δ芸梢圆捎?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬或數(shù)字技術(shù)，通過采用通常對終端用戶而言是一回事的任意一種技術(shù)的電源來實現(xiàn)。也就是說，采用數(shù)字電源控制可能不需要終端用戶端的任何改變或新設(shè)計。

　　相比之下，電源管理是指一個或多個電源外部的通信和/或控制。這包括電源系統(tǒng)配置、個別電源的控制和監(jiān)視以及故障檢測通信。電源管理功能并不是實時的，這些功能以一個比電源的開關(guān)頻率慢的時間刻度工作?，F(xiàn)在，這些功能開始結(jié)合模擬和數(shù)字技術(shù)。例如，電阻通常對輸出電壓進行編程，而電源時序通常需要連接至每個電源的專用控制線路。根據(jù)Ericsson的定義，數(shù)字電源管理意味著所有這些功能都采用數(shù)字技術(shù)。此外還采用某種數(shù)據(jù)通信總線結(jié)構(gòu)來最大限度地降低互連復(fù)雜性，而不是對每個電源采用多個定制的互連進行時序和故障監(jiān)視。

　　電源控制

　　圖1的左邊是一個脈寬調(diào)制(PWM)IC，這個電路為標準模擬控制回路提供主要控制。一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與DC參考電壓進行比較。誤差放大器的輸出是一個強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。這個誤差信號饋入到PWM芯片，該芯片產(chǎn)生一個其脈寬由誤差信號定義的輸出脈沖。PWM輸出脈沖則控制功率級半導(dǎo)體(通常為MOSFET)的導(dǎo)通時間。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動器電路有必要有效率地導(dǎo)通和關(guān)斷它們。固定電阻電容網(wǎng)絡(luò)一般會補償回路，以確保動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

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　　電源的兩個其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。這些部分由感應(yīng)器、電容和電阻構(gòu)成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動態(tài)負載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò)以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數(shù)字控制結(jié)構(gòu)而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

　　典型數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1的右邊所示。輸出電壓感應(yīng)排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成了二進制數(shù)。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數(shù)的值非常有用。雖然獨立的ADC可以感應(yīng)每個參數(shù)，但是采用單個ADC并在它前面加設(shè)一個多路復(fù)用路往往更加有效。多路復(fù)用器(MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個輸入發(fā)送至ADC。

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個數(shù)字由已知的時間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器。卡上程序內(nèi)存存儲微控制器的控制算法，這些算法負責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計算。這些計算的結(jié)果包括誤差信號、想要的驅(qū)動器級脈寬、各種驅(qū)動器輸出的最佳延遲值以及回路補償?shù)葏?shù)。模擬系統(tǒng)的外部回路補償元件不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數(shù)的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性內(nèi)存中，或者可以在系統(tǒng)啟動時下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中。

　　與模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)線路和負載條件的變化方面靈活得多。一般，對于給定的控制參數(shù)，模擬方法只采用一種“折衷”設(shè)置進行配置，而數(shù)字控制則具備根據(jù)轉(zhuǎn)換器的工作條件改變控制參數(shù)的能力。比如，在同步負載點、降壓型變換器中，死時值確保頂部和底部MOSFET不會同時導(dǎo)通。模擬控制系統(tǒng)采用固定定時網(wǎng)絡(luò)來為最差工作條件設(shè)定此死時值。但是在一般工作條件下，這個死時值比必要的更長，這會降低轉(zhuǎn)換器的效率。相比之下，數(shù)字控制回路可以根據(jù)工作條件動態(tài)地改變死時值，從而優(yōu)化POL變換器效率。

　　此外，模擬系統(tǒng)中的反饋回路補償必然是穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能之間的折衷。采用數(shù)字控制技術(shù)時，可能形成根據(jù)工作條件改變補償因子的非線性或自適應(yīng)控制回路。也就是說，電源或POL變換器在需要時會迅速響應(yīng)，而在其它情況下則響應(yīng)較慢。這種技術(shù)還有其它優(yōu)點。對于給定的電壓容差而言，需要較少的輸出去耦電容，從而節(jié)省了成本和元器件空間。數(shù)字控制可以實現(xiàn)不連續(xù)運行模式下的工作(即電源在極低的負載條件下“跳過”交換周期)，并且不會出現(xiàn)常見的動態(tài)負載性能較差的缺點。

　　數(shù)字電源管理

　　數(shù)字電源管理是指以數(shù)字方式從內(nèi)部工作的外面控制和監(jiān)視板上的電源，例如，控制多個電源導(dǎo)通和關(guān)斷的順序，同時確保每個器件都符合其電壓裕量規(guī)格。這些問題對于確保需要多個電源用于其低壓內(nèi)核和多電壓級I/O庫的DSP和FPGA這樣的器件的正常工作而言至關(guān)重要。

　　如今的數(shù)字電源管理系統(tǒng)通常采用由通過數(shù)字通信總線與中央控制器件通信的板上安裝電源(BMPS)組成的基本架構(gòu)。BMPS可以是隔離的DC/DC電源模塊或者是非隔離的負載點(POL)變換器。中央控制器件也有多種形式，如專用的電源管理IC、微控制器或者FPGA中的空閑門。中央控制器件通常被稱為“主控器”(master)或者“主機”(host)，而受控制的BMPS通常是指“從屬器件”(slave)。對于絕大多數(shù)系統(tǒng)而言，主機具有由單個系統(tǒng)板組成的控制域。在一些大型系統(tǒng)中，這種主機將與系統(tǒng)中其它位置的更高級別的控制器交互，或許甚至通過遠距離通信網(wǎng)絡(luò)與遠程設(shè)備進行通信。圖2是單板電源系統(tǒng)的示例圖。

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　　應(yīng)用示例

　　隨著板上電平數(shù)的增加，系統(tǒng)電源管理的復(fù)雜性也在相應(yīng)地提高。對于電壓順序控制而言，必須針對正常的啟動和關(guān)閉操作以及故障狀況對順序控制的先后順序、斜升時間和延遲進行控制。所有這些都很容易通過數(shù)字管理來實現(xiàn)，并且不需要采用模擬控制和定時元器件。事件驅(qū)動型順序控制也可以輕松進行配置，例如，在導(dǎo)通BMPS #2之前檢驗BMPS #1的性能參數(shù)。

　　電壓裕量用于生產(chǎn)最后階段的邊界測試，以驗證器件的魯棒性。在不同的組合中，電壓可能在±5%的范圍內(nèi)變化。采用數(shù)字通信總線，這就可以在不到一秒的時間內(nèi)實現(xiàn)，并且不需要任何額外的硬件或者互連。圖3為順序控制和裕量的示例圖。

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　　事實上，數(shù)字電源管理在整個電源和系統(tǒng)的生命周期內(nèi)都有用。在最初的電源生產(chǎn)階段，自動測試裝置(ATE)可以配置輸出電壓修整、過流、過壓和過溫跳變點，以及載入日期代碼和序列號等參數(shù)。在電源系統(tǒng)優(yōu)化階段，設(shè)計工程師可以通過將總線與膝上型電腦相連，利用與電源相連的數(shù)字接口來測量溫度、電壓和輸出電流，從而為故障保護電路設(shè)置跳變點以及優(yōu)化電源順序控制。

　　在板和系統(tǒng)的裝配和測試階段，ATE可以采用數(shù)字電源管理接口來進行電壓裕量測試、電壓監(jiān)視和修整、轉(zhuǎn)換效率的測量以及序列號和日期代碼的記錄。如果設(shè)計工程師在板上放置了一個永久的主機控制器以備正常工作期間使用的話，那么實現(xiàn)復(fù)雜的啟動和關(guān)閉順序控制就輕而易舉了，而且無需額外的元器件和互連。工作溫度很容易進行監(jiān)控以調(diào)整系統(tǒng)風(fēng)扇速度。效率可以進行實時監(jiān)控，并在故障發(fā)生之前檢測到性能下降的情況。開發(fā)故障檢測和管理程序時可以考慮到系統(tǒng)其它位置的狀況。

　　重要的是，采用數(shù)字配置不一定在用戶的終端系統(tǒng)中甚至在生產(chǎn)過程中需要主機控制器或者數(shù)字總線。如果配置要求已知并且相對固定，電源制造商就可以在生產(chǎn)期間輕松地對其進行編程，而無需改動任何硬件?？蛻艨梢韵駥Υ齻鹘y(tǒng)的模擬器件一樣使用電源。

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