對數(shù)字電源管理的需求 ?

近年來，對便攜式設(shè)備的需求顯著增長。它們通常包括 LCD、通用串行總線 (USB)、藍牙模塊、SD 卡讀卡器。這些負載由鋰離子 (Li-Ion) 等可充電電池供電，需要不同的工作電壓和負載電流。電源管理解決方案的設(shè)計涉及尺寸、成本和效率等設(shè)計因素之間的一系列折衷。一般來說，需要確定一些特性，例如瞬態(tài)容限、紋波電壓和負載特性。如今，設(shè)計電源的經(jīng)驗在全球范圍內(nèi)正在減少，而加快上市時間的壓力卻在增加。?

紋波代表了關(guān)鍵因素，即電源輸出中直流 (DC) 的微小的不希望的殘余周期性變化。這是由于電源內(nèi)部對交變波形的抑制不完全所致。另一個需要考慮的參數(shù)是 DCR（直流電阻），它是頻率接近 0 Hz 的信號的電感器電阻。以直流電測量的電感器的 DCR 通常非常小，范圍從小于 1 / 100 Ω 到幾歐姆（通常不超過 4 Ω）。

由于 CMOS 制造技術(shù)和新的先進數(shù)字架構(gòu)的改進，數(shù)字組件能耗的改善限制了控制和效率損失之間的權(quán)衡。

系統(tǒng)設(shè)計人員正致力于通過更好地管理電池特性，利用先進的電路拓撲來提高電源轉(zhuǎn)換效率。在這方面，能量轉(zhuǎn)換中的數(shù)字控制技術(shù)受到特別關(guān)注。

效率

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是電源管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊。它們需要滿足非常嚴格的規(guī)格并同時消耗盡可能少的能量。具有快速開關(guān)頻率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器越來越受歡迎，因為它們能夠減小外部組件（如電容器和輸出電感器）的尺寸。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率是設(shè)計電源時要考慮的最重要的屬性之一。低效率會轉(zhuǎn)化為更大的功耗，必須妥善管理。較低的開關(guān)頻率可減少開關(guān)損耗，而高頻可提供更好的性能和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。在效率方面，需要從溝道損耗、開關(guān)和柵極驅(qū)動電流方面對MOSFET進行評估。傳導(dǎo)損耗主要由傳導(dǎo)電阻 (R DS (ON) ) 決定。另一方面，開關(guān)電荷由柵極電荷 (Q g )支配。為了降低 MOSFET 的功率損耗，R DS (ON)和 Q g的良好平衡組合 應(yīng)選擇以實現(xiàn)良好的設(shè)計折衷。

例如，在便攜式設(shè)備的簡單降壓轉(zhuǎn)換器（降壓轉(zhuǎn)換器）中，設(shè)計人員旨在將電壓降低到足夠的水平，但同時又不想在轉(zhuǎn)換過程中浪費寶貴的毫伏電壓。例如，ADI 公司提供 LTC3549，這是一款適用于便攜式應(yīng)用的 2.25 MHz 降壓穩(wěn)壓器（圖 1）。該器件提供 250 mA 的輸出電流（輸入電壓為 1.8 V，輸出電壓為 1.2 V），效率高達 93%。

圖 1：LTC3549 的框圖 [來源：Analog Devices]

電感器的選擇是一個設(shè)計步驟，涉及各種因素，例如紋波、功耗、飽和特性和壓擺率。知道壓擺率后，我們可以使用以下公式計算電感 L：

通過使用 L 的值，我們可以通過以下公式計算紋波電流 (I OPP )：

其中 V inmax是最大輸入電壓，V out是輸出電壓，f sw是開關(guān)頻率。考慮輸出電流和 DCR 參數(shù)來評估功耗。

數(shù)字控制

近年來，高速、低能耗和經(jīng)濟型硅的引入重新點燃了對“數(shù)字電源管理”的興趣。通過數(shù)字控制進行的調(diào)整已被證明是最可靠的電壓調(diào)整方法。

數(shù)字芯片允許在開關(guān)電源的每個操作周期中精確調(diào)節(jié)節(jié)能直至耗散控制。

在數(shù)字穩(wěn)壓器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將輸出電壓的測量值（標(biāo)度）與參考電壓（誤差電壓）之間的差值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。數(shù)字控制器更高的精度部分源于 ADC 將誤差電壓轉(zhuǎn)換為二進制值的分辨率。更高的分辨率改進了反饋回路控制。此外，參考電壓的精度和ADC輸出刷新率會顯著影響輸出電壓的穩(wěn)定性和精度。

數(shù)字調(diào)節(jié)器的 PID 處理器允許進行最佳控制，結(jié)合多種控制（比例、積分和微分；從這些詞中得到首字母縮略詞 PID）來校正調(diào)節(jié)器輸出。

在 PID 控制器中，當(dāng)前誤差電壓 (P) 的讀數(shù)與過去誤差的累積（使用積分階段）和未來誤差的預(yù)測（使用算法的微分階段）相結(jié)合，以調(diào)整每個脈沖的幅度連續(xù) PWM 周期。這樣，算法就可以調(diào)整“開”和“關(guān)”時間，而無需等待固定斜坡誤差比較器的觸發(fā)。

PID 控制器中編程的系數(shù)確定了諸如環(huán)形增益之類的參數(shù)，并且正如在由無源元件形成的模擬電路網(wǎng)絡(luò)中確實發(fā)生的那樣，用于生成所需系統(tǒng)的響應(yīng)以保證穩(wěn)定性。這些系數(shù)的值可以使用模型進行數(shù)學(xué)計算并編程到控制器中。雖然模型的生成不是一項微不足道的任務(wù)，但數(shù)字處理器的使用允許設(shè)計人員通過僅在控制器中編程這些值而不是焊接不同的無源元件來微調(diào)能夠滿足他們需求的算法。盡管 PID 型控制提供了比傳統(tǒng)模擬控制更大的靈活性，

最先進的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用內(nèi)部系統(tǒng)模型來改善整體控制。模型和設(shè)備行為之間更精確的對應(yīng)導(dǎo)致更精確的控制和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（如 BMR461 模型）的情況，消除了大量外部電容器。

ZL6105 是一款帶有集成 MOSFET 驅(qū)動器的數(shù)字電源調(diào)節(jié)器。它被設(shè)計為一個靈活的直流元件，可以輕松適應(yīng)從 3.3 V 輸入的單相電源到 12 V 輸入的多相電源的設(shè)計。ZL6105 使用 PMBus 協(xié)議與主機控制器進行通信，使用 Digital-DC 總線與其他設(shè)備進行通信（圖 2）。

圖 2：ZL6105 的應(yīng)用電路 [來源：瑞薩電子]

PMBus 定義了一種開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議，可促進與電源轉(zhuǎn)換器或其他設(shè)備的通信。該協(xié)議是一種低成本的實時控制總線，它定義了傳輸和物理接口以及管理語言。

高級數(shù)字設(shè)備中諸如 PMBus 之類的協(xié)議的傳播為日益高效的系統(tǒng)的傳播提供了新的機會。新一代處理器和 FPGA 所需功率的增加對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器項目產(chǎn)生了重大影響，尤其是對于負載點 (POL) 應(yīng)用。

由于數(shù)字控制，電源轉(zhuǎn)換器可以與系統(tǒng)協(xié)同工作，并利用有關(guān)能源效率的整體方法。越來越特殊的是對智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的監(jiān)控功能的要求。數(shù)字控制的影響和效率的增長在成本和電路尺寸方面將變得越來越重要。



審核編輯：劉清?