學技術(shù) | 實現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源

如今對數(shù)字電源的性能、效率和功率密度設(shè)定了極高的標準。本文將闡述可供設(shè)計人員采納以實現(xiàn)上述目標的實踐技巧。首先討論如何選擇合適的硬件架構(gòu)。文中還將展示數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）如何幫助實現(xiàn)大量數(shù)字電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu) 和控制方案，以滿足對當今數(shù)字電源在效率方面的高要求。還將就脈寬調(diào)制（Pulse[1]Width-Modulation，PWM）開關(guān)速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC） 轉(zhuǎn)換速率和模擬比較器功能對系統(tǒng)性能的影響進行探討。文中將給出幾種現(xiàn)代開關(guān)電源 （Switch-mode Power Supply，SMPS）的拓撲結(jié)構(gòu)，來說明如何構(gòu)造外設(shè)和設(shè)計控制方案 來優(yōu)化數(shù)字電源轉(zhuǎn)換。

簡介

諸如 AC 至 DC 和 DC 至 DC SMPS 等傳統(tǒng)電源產(chǎn)品均采用了一種模擬控制回路來對 PWM 模塊、 集成電路（Integrated Circuit，IC）和功率器件進行基本控制，并在這一基礎(chǔ)上添加了 由單片機執(zhí)行的數(shù)字信號控制和通信功能。但是，在數(shù)字電源中，模擬控制回路被數(shù)字控 制回路所取代，并且 PWM 模塊通常集成在執(zhí)行高級控制和通信的同一顆單片機中。為了更好地理解數(shù)字電源的架構(gòu)選擇和關(guān)鍵性能參數(shù)，最好先搞清楚使用數(shù)字回路的好處。通過采用數(shù)字回路控制來實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，可使開發(fā)人員的設(shè)計和業(yè)務(wù)大大受益。通過可再編程軟件執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換控制的功能以及 DSC 解決方案的性能和功能正是這些益處產(chǎn)生的原因。

以下是使用數(shù)字回路的諸多好處：

一. 增加了功率密度

通過減少元件數(shù)量和縮小元件尺寸來縮小系統(tǒng)尺寸；

二.加快了上市時間，簡化了生產(chǎn)過程

使用更少的元件實現(xiàn)功能豐富的設(shè)計；

由 DSC 軟件執(zhí)行功率因數(shù)校正 ；

降低因元件容差/參數(shù)漂移而引起的設(shè)計復雜度 ；

利用軟件以更少的硬件平臺支持各種各樣的最終產(chǎn)品；

消除了生產(chǎn)線調(diào)整——無元件容差問題；

允許下生產(chǎn)線后進行配置（負載限制和通信協(xié)議等）；

提高了自測功能，簡化和加快了產(chǎn)品測試；

三.新的高性價比特性

適應(yīng)變化的負載（容性、感性、阻性和電流需求）；

更好的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范 —— 不僅限于線性技術(shù)；

管理電壓的變化，避免元件參數(shù)超出規(guī)范限定；

四.增加了可靠性

限制電源的工作參數(shù)不會超出規(guī)范限定；

元件數(shù)量的減少有助于可靠性的提高；

成本較低的冗余選項；

五.保護知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）

由存儲在受保護閃存中的軟件實現(xiàn)關(guān)鍵的創(chuàng)新 IP；

數(shù)字回路結(jié)構(gòu)

許多不同的電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)均可通過使用現(xiàn)代 DSC 技術(shù)的數(shù)字回路控制實現(xiàn)。

圖 1 描繪 了一個已大大簡化的控制電源轉(zhuǎn)換的數(shù)字回路結(jié)構(gòu)示例。

虛線框內(nèi)的所有組件均包含在 DSC 內(nèi)。要實現(xiàn)數(shù)字回路，首先必須使用 ADC 對模擬信號進行轉(zhuǎn)換。本例中，運行在 DSC 中的軟件對采樣進行處理以執(zhí)行控制電源所必需的電壓和電 流控制回路。這些回路的執(zhí)行結(jié)果隨后被用來控制片上數(shù)字 PWM 模塊，由該模塊直接控制功率器件。目前基本的數(shù)字控制回路功能通常是由運行在 DSC 中的軟件實現(xiàn)的，軟件執(zhí)行的是定點算術(shù)運算。

DSC 的內(nèi)部架構(gòu)集單片機和數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor，DSP）的功能于一身。DSC 中的 DSP 部分執(zhí)行基本的算術(shù)運算以實現(xiàn)數(shù)字電源 轉(zhuǎn)換的控制算法。例如，某些專用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的 DSC 內(nèi)部具有 16 位的定點 DSP 引擎。

目前已經(jīng)討論了實現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換所需的基本組件，文中后續(xù)部分還將對其進行詳細研究。但現(xiàn)在我們首先要考慮的是對實現(xiàn)可靠而經(jīng)濟有效的轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要的實際問題。要達到可靠、高效且功率密度大的目標，用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的 DSC 自身必須能提供實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的絕大多數(shù)組件。這一點很重要，因為如果數(shù)字電源設(shè)計方案需要許多外部支持芯片的話，這三個目標將會受到影響。

圖 2 是配備有實現(xiàn)可靠的高性能數(shù)字電源轉(zhuǎn)換所必需的組件的 DSC 示例的基本框圖。有助于減少元件數(shù)量和增加電源可靠性的特定外設(shè)和功能有：

內(nèi)部數(shù)字 PWM。用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的 DSC 應(yīng)具有一個專為驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換電橋而設(shè)計 的高速數(shù)字 PWM。

內(nèi)部 ADC。數(shù)字電源轉(zhuǎn)換需要 DSC 帶有一個具有特殊觸發(fā)和采樣/保持功能的高性能 ADC。

內(nèi)部模擬比較器。片內(nèi)模擬比較器有助于實現(xiàn)特定的高速控制算法，如限流算法。比較器應(yīng)在內(nèi)部與數(shù)字 PWM 模塊相連并配備有可編程內(nèi)部參考電壓模塊。

內(nèi)部電源管理。DSC 內(nèi)部的電源管理子系統(tǒng)提供欠壓復位和上電復位功能，以及允 許 DSC 實現(xiàn)單電源供電的內(nèi)部電壓。

內(nèi)部高精度 RC 振蕩器。該高精度 RC 振蕩器和內(nèi)部鎖相環(huán)（Phase Locked Loop， PLL）電路提供驅(qū)動處理器和高速外設(shè)所需的所有時鐘信號。

內(nèi)部通信外設(shè)。器件應(yīng)具有與系統(tǒng)中其他部分通信所必需的通信外設(shè)。

內(nèi)部閃存和 RAM。器件必須包含運行軟件所需的內(nèi)部存儲器。一般來說，具備閃存 而不是 ROM 很重要，因為閃存可存儲專為各種最終產(chǎn)品而編寫的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換軟件， 使軟件具有充分的靈活性。

小尺寸。DC 至 DC 的應(yīng)用對空間有一定的限制，因此 DSC 必須以小封裝形式提供。

擴展級溫度。對于許多高功率密度應(yīng)用，電源的工作溫度較高，這就要求 DSC 可承 受更大的溫度范圍。

在研究數(shù)字電源轉(zhuǎn)換設(shè)計時，設(shè)計人員還必須考慮為控制電路和 DSC 本身供電的輔助電源。圖 2 中的 DSC 支持單輸入電壓并且具備必需的電源管理功能，從而簡化了輔助電源電路， 提高了可靠性。在諸如 AC 至 DC 轉(zhuǎn)換器的某些應(yīng)用中，器件可執(zhí)行 AC 至 DC 轉(zhuǎn)換控制以及諸如功率因數(shù)校 正（Power Factor Correction，PFC）等功能。支持增加諸如 PFC 等功能的數(shù)字 PWM 功能 模塊是 PWM 互補輸出對的獨立時基。通過使用“備用”PWM 信號和運行在 DSC 上的軟件即 可實現(xiàn)上述功能，無需外部 PFC 芯片，從而進一步增加了電源的可靠性。

本文的下一節(jié)將深入研究實現(xiàn)數(shù)字控制回路的特定方面以及所需的 ADC、數(shù)字 PWM 和比較 器的特性。