如何使數(shù)字電源控制器與模擬控制兼容？

最近，超大規(guī)模集成 (VLSI) 技術的發(fā)展擴寬了數(shù)字控制應用范圍，尤其是在電源電子元件方面的應用。數(shù)字控制IC具有多種優(yōu)勢，比如裸片尺寸更小、無源元件數(shù)量更少、成本更低。另外，數(shù)字控制可利用電源管理總線 (PMBus?) 來完成系統(tǒng)配置；高級控制算法能改善性能；可編程性則可實現(xiàn)應用優(yōu)化。隨著數(shù)字電源管理的進一步普及并代替大量模擬控制器，它必須保持現(xiàn)有功能的向后兼容性，從而使數(shù)字電源模塊和模擬電源模塊均可在同一個系統(tǒng)中工作。

模擬電源模塊中一般使用輸出電壓調(diào)整，這樣最終用戶可以通過外部電阻更改電源模塊的輸出電壓。它具有增強的靈活性，允許將某些經(jīng)過選擇的標準模塊用到幾乎所有應用中，而無論電壓要求如何。圖1顯示AGF600-48S30模擬電源模塊中調(diào)整輸出電壓的典型配置。

輸出電壓可通過改變連接電源模塊正輸出端或接地端的電阻來進行調(diào)節(jié)。通過連接外部電阻RUP并使RDOWN浮空，可以向上調(diào)整輸出電壓（高于標稱輸出電壓），或者通過連接外部電阻RDOWN并使RUP短路（電阻值為零）向下調(diào)整（低于標稱輸出電壓）。

圖1. 調(diào)整AGF600-48S30 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

在模擬解決方案中，RUP和RDOWN可改變誤差放大器的基準電壓。誤差放大器利用電阻分壓器感測輸出電壓，分壓器通過負反饋連接誤差放大器的反相輸入端。誤差放大器的輸出電壓控制驅(qū)動信號的占空比，進而設置輸出電壓。因此，輸出電壓隨基準電壓的變化而改變，而RUP或RDOWN可以改變基準電壓，進而向上或向下調(diào)整輸出電壓。

圖2顯示兩種廣泛用于模擬電源模塊中的調(diào)壓方式。圖2 (a)中的模擬控制器引腳允許外部電阻RDOWN降低誤差放大器同相輸入端的電壓，從而降低輸出電壓。外部電阻RUP與電阻分壓器串聯(lián)連接，可降低施加在誤差放大器反相輸入端的電壓，從而增加輸出電壓。圖2 (b) 中的模擬控制器不提供針對內(nèi)部基準電壓的訪問，但可以加入一個外部誤差放大器和基準電壓源，以便對輸出電壓進行調(diào)整。外部放大器輸出端與內(nèi)部放大器輸出端相連，有效地旁路了內(nèi)部誤差放大器。然后，基準電壓可采用之前的相同電路進行配置，從而以同樣的方式對兩個電源模塊進行調(diào)整。

圖2. 利用 (a) 帶有可配置內(nèi)部基準電壓的模擬控制器，或者(b) 帶有固定內(nèi)部基準電壓的模擬控制器調(diào)整模擬電源模塊的輸出電壓

對于數(shù)字控制器來說，所有的控制功能均由數(shù)字邏輯實現(xiàn)。圖3所示為集成PMBus接口的高級數(shù)字控制器ADP1051的功能框圖。該器件非常適合高密度DC-DC電源轉(zhuǎn)換，具有6個可編程脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出，可控制大部分高效電源拓撲。另外，該器件還能控制同步整流 (SR)，并集成6個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，能夠采樣模擬輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、溫度以及其它參數(shù)。轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)后，將這些信號發(fā)送至數(shù)字內(nèi)核模塊進行處理。該器件采用靈活的狀態(tài)機架構，以硬件實現(xiàn)全部功能，提供穩(wěn)定可靠的解決方案，但無法通過編程實現(xiàn)設計以外的功能。器件的全部功能—包括輸出電壓調(diào)整—均以數(shù)字方式處理。為了調(diào)整輸出電壓，應通過PMBus接口發(fā)送一條命令，改變數(shù)字基準電壓值。

圖3. 數(shù)字控制器ADP1051功能框圖

考慮整個控制環(huán)路，輸出電壓通過電壓分壓器或者運算放大器縮放到合適的值，然后輸入給VS+引腳。VS+引腳。ADC對該電壓進行采樣。數(shù)字內(nèi)核知道數(shù)字化的輸出電壓值和通過PMBus接口設置的數(shù)字基準電壓。數(shù)字比較器和補償濾波器將數(shù)字基準電壓與檢測到的比例輸出電壓進行比較，產(chǎn)生誤差信號以控制PWM，處理方式與模擬控制器相同。不幸的是，數(shù)字比較器只能通過PMBus使用數(shù)字基準電壓。數(shù)字比較器、數(shù)字基準電壓以及數(shù)字補償濾波器均只采用邏輯電平信號工作，因此無法使用外部基準電壓并旁路內(nèi)部比較器和濾波器。受限于這種固定的硬件配置，向后兼容現(xiàn)有模擬調(diào)整功能的唯一途徑是調(diào)節(jié)VS+引腳上的ADC檢測電壓。一種方法是重新配置反饋網(wǎng)絡。

圖4中，RD1和RD2構成標準反饋網(wǎng)絡—一個簡單的電阻分壓器，可在ADC檢測輸出電壓之前對其進行調(diào)節(jié)。檢測電壓為：

其中，VO是電源模塊的實際輸出電壓。采用標準反饋網(wǎng)絡，則輸出電壓無法以模擬方式調(diào)整。如圖4所示，通過加入RUP、RT0和VTRIM的方式重新配置反饋網(wǎng)絡可對比例輸出電壓進行調(diào)節(jié)。于是，檢測電壓為：

VS+引腳上的正常工作電壓為1 V。若VTRIM為1 V左右且RT0遠大于RD2，則可忽略電路的其余分支部分。復合網(wǎng)絡用作簡單分壓器，并調(diào)節(jié)RUP電阻值，提供類似于模擬控制器的特性，實現(xiàn)了模擬電源模塊中的電壓向上調(diào)整。

圖4. ADP1051可調(diào)整反饋網(wǎng)絡

然而，提供向下調(diào)整能力則要更為復雜。數(shù)字控制器不知道系統(tǒng)應當輸出的確切電壓值，因此它會嘗試最大程度降低VVS+和內(nèi)部數(shù)字基準電壓之間的誤差。VVS+將始終隨內(nèi)部數(shù)字基準電壓的變化而改變，其典型值設為1 V。等式2顯示VO與VTRIM呈線性關系。由圖2可知，向下調(diào)整輸出電壓的機制是產(chǎn)生一個表示所需輸出電壓與標稱輸出電壓之差的誤差電壓。內(nèi)部的基準電壓將先會減去這個誤差電壓，然后才會加到誤差放大器的同相端。若在誤差放大器的反相輸入端加入相同的電壓差，則兩個電路都將具有相同的輸出結(jié)果。因此，VTRIM應當與所需的輸出電壓和標稱電壓之差成比例，而非采用固定值。

圖5中的電路具有兼容模擬向上或者向下調(diào)壓的功能。兩個電阻分壓器產(chǎn)生兩個基準電壓，其中一個基準電壓表示模擬控制器所需的輸出基準電壓，另一個表示內(nèi)部基準電壓。利用一個電壓跟隨器來避免所需的輸出基準電壓與后續(xù)電路相互影響。利用AD822 FET輸入運算放大器，將所需的輸出基準電壓 (V1) 從模擬控制器的內(nèi)部基準電壓 (V2) 中去除，得到所需的電壓差。此電路的線性放大增益確保了VTRIM足夠大，從而能對VVS+產(chǎn)生影響。

圖5. 重新配置反饋網(wǎng)絡，方便進行模擬輸出調(diào)整

圖6. 使用重新配置的反饋網(wǎng)絡后，調(diào)整ADP1051輸出電壓的計算結(jié)果：(a) 向下調(diào)整 (b) 向上調(diào)整

目標輸出電壓調(diào)整特性的定義參見AGF600-48S30數(shù)據(jù)手冊。

表1顯示了一組應用于新配置反饋網(wǎng)絡中的參數(shù)，采用此組參數(shù)，可以使其兼容模擬電源模塊電壓調(diào)整特性。

表1. 圖5所示電路的電阻值

采用等式2和表1中的數(shù)值，便可計算輸出電壓調(diào)整特性。圖6顯示結(jié)果曲線。目標值和計算值之間的誤差由重新配置的反饋網(wǎng)絡產(chǎn)生。該誤差極小（標稱輸出電壓為30 V時，該誤差值不足0.1 V），這表示該電路的輸出結(jié)果良好。通過計算可以驗證這種重新配置反饋網(wǎng)絡以調(diào)整輸出電壓的方法，并為其它使用數(shù)字基準電壓的數(shù)字電源控制器——比如ADM1041A、ADP1046A、ADP1050和ADP1053等——向后兼容模擬控制器提供思路，增強了數(shù)字電源解決方案的靈活性。