采用數(shù)字電源管理的電路簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

最近，超大規(guī)模集成(VLSI)技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)寬了數(shù)字控制應(yīng)用范圍，尤其是在電源電子元件方面的應(yīng)用。 數(shù)字控制IC具有多種優(yōu)勢(shì)，比如裸片尺寸更小、無(wú)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(xiàn)(PMBus?)來(lái)完成系統(tǒng)配置；高級(jí)控制算法能改善性能；可編程性則可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)化。 隨著 數(shù)字電源管理 的進(jìn)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(gè)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(hù)可以通過(guò)外部電阻更改電源模塊的輸出電壓。 它具有增強(qiáng)的靈活性，允許將某些經(jīng)過(guò)選擇的標(biāo)準(zhǔn)模塊用到幾乎所有應(yīng)用中，而無(wú)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(guò)改變連接電源模塊正輸出端或接地端的電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)通過(guò)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(biāo)稱(chēng)輸出電壓），或者通過(guò)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(biāo)稱(chēng)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(zhǔn)電壓。 誤差放大器利用電阻分壓器感測(cè)輸出電壓，分壓器通過(guò)負(fù)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(dòng)信號(hào)的占空比，進(jìn)而設(shè)置輸出電壓。 因此，輸出電壓隨基準(zhǔn)電壓的變化而改變，而 RUP 或 RDOWN可以改變基準(zhǔn)電壓，進(jìn)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(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的訪(fǎng)問(wèn)，但可以加入一個(gè)外部誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源，以便對(duì)輸出電壓進(jìn)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(zhǔn)電壓可采用之前的相同電路進(jìn)行配置，從而以同樣的方式對(duì)兩個(gè)電源模塊進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于數(shù)字控制器來(lái)說(shuō)所有的控制功能均由數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)。 圖3所示為集成PMBus接口的高級(jí)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(gè)可編程脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出，可控制大部分高效電源拓?fù)洹?另外，該器件還能控制同步整流(SR)，并集成6個(gè)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(hào)發(fā)送至數(shù)字內(nèi)核模塊進(jìn)行處理。 該器件采用靈活的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，以硬件實(shí)現(xiàn)全部功能，提供穩(wěn)定可靠的解決方案，但無(wú)法通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(yīng)通過(guò)PMBus接口發(fā)送一條命令，改變數(shù)字基準(zhǔn)電壓值。

考慮整個(gè)控制環(huán)路，輸出電壓通過(guò)電壓分壓器或者運(yùn)算放大器縮放到合適的值，然后輸入給VS+引腳。ADC對(duì)該電壓進(jìn)行采樣。 數(shù)字內(nèi)核知道數(shù)字化的輸出電壓值只采用邏輯電平信號(hào)工作，因此無(wú)法使用外部基準(zhǔn)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(cè)電壓。 一種方法是重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)。

圖4中， RD1 和 RD2構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)反饋網(wǎng)絡(luò)——一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器，可在A(yíng)DC檢測(cè)輸出電壓之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。 檢測(cè)電壓為：

其中， VO 是電源模塊的實(shí)際輸出電壓。 采用標(biāo)準(zhǔn)反饋網(wǎng)絡(luò)，則輸出電壓無(wú)法以模擬方式調(diào)整。 如圖4所示，通過(guò)加入 RUP, RT0, 和 VTRIM的方式重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)可對(duì)比例輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 于是，檢測(cè)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(yuǎn)大于 RD2， 則可忽略電路的其余分支部分。 復(fù)合網(wǎng)絡(luò)用作簡(jiǎn)單分壓器，并調(diào)節(jié)RUP 電阻值，提供類(lèi)似于模擬控制器的特性，實(shí)現(xiàn)了模擬電源模塊中的電壓向上調(diào)整。

然而，提供向下調(diào)整能力則要更為復(fù)雜。 數(shù)字控制器不知道系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)輸出的確切電壓值，因此它會(huì)嘗試最大程度降低VVS+ 和內(nèi)部數(shù)字基準(zhǔn)電壓之間的誤差。 VVS+ 將始終隨內(nèi)部數(shù)字基準(zhǔn)電壓的變化而改變，其典型值設(shè)為1 V。等式2顯示 VO 與 VTRIM 呈線(xiàn)性關(guān)系。 由圖2可知，向下調(diào)整輸出電壓的機(jī)制是產(chǎn)生一個(gè)表示所需輸出電壓與標(biāo)稱(chēng)輸出電壓之差的誤差電壓。內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓將先會(huì)減去這個(gè)誤差電壓，然后才會(huì)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(gè)電路都將具有相同的輸出結(jié)果。 因此， VTRIM 應(yīng)當(dāng)與所需的輸出電壓和標(biāo)稱(chēng)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(gè)電阻分壓器產(chǎn)生兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，其中一個(gè)基準(zhǔn)電壓表示模擬控制器所需的輸出基準(zhǔn)電壓，另一個(gè)表示內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。 利用一個(gè)電壓跟隨器來(lái)避免所需的輸出基準(zhǔn)電壓與后續(xù)電路相互影響。 利用AD822 FET輸入運(yùn)算放大器，將所需的輸出基準(zhǔn)電壓(V1)從模擬控制器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(V2)中去除，得到所需的電壓差。此電路的線(xiàn)性放大增益確保了VTRIM足夠大，從而能對(duì) VVS+ 產(chǎn)生影響。

目標(biāo)輸出電壓調(diào)整特性的定義參見(jiàn)AGF600-48S30數(shù)據(jù)手冊(cè)。表1顯示了一組應(yīng)用于新配置反饋網(wǎng)絡(luò)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

采用等式2和表1中的數(shù)值，便可計(jì)算輸出電壓調(diào)整特性。 圖6顯示結(jié)果曲線(xiàn)。 目標(biāo)值和計(jì)算值之間的誤差由重新配置的反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。 該誤差極?。?biāo)稱(chēng)輸出電壓為30 V時(shí)，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(guò)計(jì)算可以驗(yàn)證這種重新配置反饋網(wǎng)絡(luò)以調(diào)整輸出電壓的方法，并為其它使用數(shù)字基準(zhǔn)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(qiáng)了數(shù)字電源解決方案的靈活性。