數(shù)字技術(shù)在開關(guān)電源控制中的應(yīng)用和發(fā)展

　　1.前言

　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用，而日新月異的高科技產(chǎn)品也對(duì)開關(guān)電源提出了更高的要求。開關(guān)電源的模擬控制技術(shù)也發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但其無(wú)法克服固有的缺點(diǎn)：控制電路復(fù)雜，元器件比較多，不利于小型化的發(fā)展；控制電路一旦成型，很難修改，調(diào)試不方便；控制不靈活，復(fù)雜的控制方法也難以用模擬方法實(shí)現(xiàn)。

　　2. 數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法［1］：第一種是單片機(jī)通過(guò)外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，采樣后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)開關(guān)電源的開關(guān)電源間接控制（如下圖所示）。如下圖所示這種方法的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計(jì)方法容易掌握，而且對(duì)單片機(jī)的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復(fù)雜；單片經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換，有比較大的時(shí)延，勢(shì)必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有單片機(jī)集成了PWM輸出，但開關(guān)電源往高頻化發(fā)展，一般單片機(jī)的時(shí)鐘頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率和精度反比，無(wú)法產(chǎn)生足夠頻率和精度的PWM輸出信號(hào)。第二種是通過(guò)高性能數(shù)字芯片如DSP對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號(hào)采樣AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM信號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，需通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，由于而這些芯片有比較高的采樣速度（TMS320LF2407內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器完成一次AD轉(zhuǎn)換只需500ns，最快的8位單片機(jī)也要最快也要幾微秒）和運(yùn)算速度，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的有效控制，有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。但是DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高；而且DSP控制技術(shù)比較難掌握，對(duì)設(shè)計(jì)者要求比較高，在開關(guān)電源領(lǐng)域中難以廣泛應(yīng)用。目前DSP技術(shù)已經(jīng)在開關(guān)電源中開始應(yīng)用，但主要局限在對(duì)電源性能要求高的而且價(jià)格比較昂貴的領(lǐng)域上。

　　3.一種新穎的電源控制技術(shù)

　　數(shù)字控制的開關(guān)電源不可避免地存在以下問(wèn)題：AD轉(zhuǎn)換器的速度和精度成反比。為了保證開關(guān)電源有較高的穩(wěn)壓精度，AD轉(zhuǎn)換器是必須有比較高精度的采樣，但高精度的采樣需要的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間更長(zhǎng)。作為反饋環(huán)路的一部分，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲以后，轉(zhuǎn)換過(guò)程的延遲時(shí)間必然也會(huì)造成額外相位滯后，使得回路的響應(yīng)能力變差。和模擬芯片用RC補(bǔ)償進(jìn)行PI調(diào)節(jié)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調(diào)節(jié)的方法以提高控制回路的響應(yīng)能力，這種做法需要占有數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因?yàn)閿?shù)字控制和模擬控制不同，信號(hào)采樣不是連續(xù)不斷的，而是離散的，兩次采樣之間有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無(wú)法得到的。要實(shí)現(xiàn)精確的控制，每次采樣之間的時(shí)間間隔不能太長(zhǎng)，即采樣頻率不能太低。作為數(shù)字芯片，每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，得到的結(jié)果都會(huì)被送到系統(tǒng)的中央運(yùn)算處理器中，然后由處理器對(duì)采樣的值進(jìn)行運(yùn)算和PI調(diào)節(jié)。在采樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法比較耗費(fèi)系統(tǒng)資源，對(duì)數(shù)字芯片的要求也比較高。由于目前專門用于電源控制的數(shù)字芯片還比較少，在要求比較高的場(chǎng)合一般都會(huì)用DSP芯片，其運(yùn)算和采樣速度快，功能強(qiáng)大，但價(jià)格比較高。而且DSP芯片不是專門的電源控制芯片，一般的電源應(yīng)用對(duì)其芯片資源的利用率不高。

　　隨著數(shù)字芯片和電源技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了為電源控制而開發(fā)出來(lái)的控制處理器，它不同于數(shù)字芯片的中央處理器。控制處理器主要由高速AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字PID補(bǔ)償器和數(shù)字PWM輸出三部分組成。反饋環(huán)路的控制由它來(lái)完成，中央處理器作為管理模塊應(yīng)用在電源上。其原理圖如圖3所示：

　　圖1 控制環(huán)路處理器原理圖

　　控制處理器由高速A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字PID補(bǔ)償器和數(shù)字DPWM輸出組成。外部存儲(chǔ)器記錄了控制處理器的相關(guān)程序。高速A/D轉(zhuǎn)換器是基于CMOS的傳輸延遲時(shí)間td 影響輸入電壓VDD的原理做成的，VDD電壓和傳輸時(shí)間是成近似的反比例關(guān)系，即VDD越大，信號(hào)傳輸延遲時(shí)間越小。如圖2所示，以CMOS的輸入電壓VDD作位采樣電壓的輸入口，各信號(hào)之間的傳輸時(shí)間延時(shí)td受采樣電壓VDD影響。第四分之三個(gè)采樣周期過(guò)后采樣結(jié)束位產(chǎn)生高電平，開始記錄q1到q8的輸出，把得到的結(jié)果送入編碼器得到數(shù)字輸出e，完成A/D轉(zhuǎn)換。如圖2b所示，數(shù)字采樣值為11111100.VDD越大，td越小得到的采樣值越大。

　　高速AD轉(zhuǎn)換器原理圖及其波形

　　而傳統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換器時(shí)通過(guò)有源器件建立采樣信號(hào)的，需要一個(gè)信號(hào)建立時(shí)間，而要進(jìn)行高精度的采樣則需要更長(zhǎng)的信號(hào)建立時(shí)間。采用新的技術(shù)大大降低了AD轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間，可以達(dá)到MHz級(jí)采樣頻率。高采樣頻率可以使DPWM的信號(hào)的更新速度達(dá)到幾百納秒一次，實(shí)現(xiàn)和模擬控制類似通過(guò)不斷更新PWM信號(hào)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。不需要像傳統(tǒng)的ADC采樣那樣，在有限的采樣頻率內(nèi)通過(guò)提高AD轉(zhuǎn)換精度和PWM分辨率，降低開關(guān)頻率來(lái)提高穩(wěn)壓精度。DPWM時(shí)鐘由處理器系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)鎖相邏輯環(huán)路（PLL）進(jìn)行倍頻后頻率可以達(dá)到200MHz.通過(guò)這種分辨率高達(dá)5ns的DPWM控制信號(hào)，電源開關(guān)頻率可以達(dá)到1MHz.數(shù)字補(bǔ)償器為電源設(shè)計(jì)提供很大的靈活性，控制參數(shù)通過(guò)外部存儲(chǔ)器的程序來(lái)設(shè)定，可以通過(guò)編程來(lái)改變控制策略，調(diào)試更方便。由于芯片是專門為電源設(shè)計(jì)開關(guān)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。相信這種專門為電源設(shè)計(jì)開發(fā)的控制處理器將會(huì)得到廣泛使用。

　　目前使用這種控制技術(shù)的芯片還比較少，Silicon Labs的Si8250就是其中一款［3］.Si8250采用雙處理器的方法，所有的通信和管理任務(wù)由系統(tǒng)管理處理器來(lái)完成，而控制處理器負(fù)責(zé)反饋的環(huán)路控制。系統(tǒng)控制環(huán)路由一個(gè)6位采樣頻率為10MHz的AD轉(zhuǎn)換器，可以每隔100ns更新一次數(shù)字PWM輸出信號(hào)，以達(dá)到更好的穩(wěn)壓效果。在而數(shù)字PID補(bǔ)償器里面分別為P，I，D的系數(shù)KP，KI和KD提供寄存器，只要改變這些系數(shù)的值就可以改變PID控制策略。PID的值通過(guò)寄存器設(shè)定，習(xí)慣進(jìn)行模擬控制芯片設(shè)計(jì)的工程師也容易掌握。提供六路相位不同的數(shù)字PWM輸出，可以用比較簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)移相控制等多中控制方法。數(shù)字PWM的時(shí)鐘頻率在25MHz，50MHz和200MHz中選擇，分辨率高達(dá)5ns.可以使開關(guān)頻率達(dá)到100MHz.

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　和模擬控制相比，數(shù)字控制有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但由于目前大部分?jǐn)?shù)字芯片并不能完全滿足開關(guān)電源的要求，而能達(dá)到要求的昂貴的DSP芯片又過(guò)于昂貴，所以數(shù)字控制技術(shù)在電源領(lǐng)域中的應(yīng)用并不廣泛。隨著控制處理器技術(shù)的提出，用于電源控制的數(shù)字芯片的出現(xiàn)，數(shù)字控制技術(shù)在開關(guān)電源中必將得到更廣泛的使用。