數(shù)字電源：電源設(shè)計的機遇 - 全文

在過去五年中，數(shù)字電源經(jīng)歷了快速的增長，工業(yè)領(lǐng)域享受了數(shù)字控制給傳統(tǒng)模擬領(lǐng)域帶來的許多好處。這已經(jīng)得到來自各種微控制器供應(yīng)商的許多新產(chǎn)品的支持，這些產(chǎn)品專門針對數(shù)字電源市場。

圖1：模擬控制電源

在傳統(tǒng)的模擬電源中，使用由運算放大器和比較器組成的控制集成電路，以及一系列精心選擇的外部電容器和電阻組成補償網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)控制。這些都給電源提供了期望的瞬態(tài)負(fù)載性能和在頻域中的穩(wěn)定性，即S域。補償網(wǎng)絡(luò)是固定的，并且經(jīng)常由于反饋路徑中存在帶寬限制光耦合器而受損。如圖1所示。

圖二：數(shù)字控制電源

當(dāng)我們提到數(shù)字電源時，我們實際上指的是調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電源的數(shù)字控制回路，它取代了自1980年代以來在開關(guān)模式電源中使用的模擬控制IC。如圖2所示的數(shù)字電源，模擬控制IC及其相關(guān)的模擬補償網(wǎng)絡(luò)已被微控制器取代。

微控制器用于關(guān)閉電源的反饋回路。在典型的數(shù)字控制電源中，微控制器上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊對輸出電壓或電流進行采樣。這與需求參考值進行比較，結(jié)果是一個誤差項。然后，誤差項被用作離散時間控制器（通常是兩極二零或三極三零控制器）的輸入，該離散時間控制器在離散時域z域中具有極點和零點。離散時間控制器以精確和預(yù)先定義的間隔執(zhí)行，每次都有一個新的ADC采樣可用。

圖3：離散時間兩極，二零控制器

這種離散時間控制器的一個例子如圖3所示。該控制器由五個乘法累加操作組成，這些操作被稱為數(shù)字信號處理器（DSP）上的乘法累加器（MAC）指令。該采樣周期x[n]，誤差項的控制器的輸入乘以控制器系數(shù)B0。Z-1項是單位延遲，并導(dǎo)致先前的輸入到控制器[X-N-1 ]，乘以系數(shù)B1。在此之后，存在另一個單位延遲，因此從前兩個采樣周期的誤差項x [n-2 ]乘以B2。在圖3的右側(cè)，同樣的過程被應(yīng)用到控制器的輸出?？刂破鞯那耙粋€輸出y[n-1]乘以A1，前一個采樣周期y[n-2]的輸出乘以A2。這些乘法被累加在一起，結(jié)果是該采樣周期控制器的新輸出?？刂破鱵[n]的輸出是脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器的占空比或諧振/脈沖頻率調(diào)制(PFM)拓?fù)涞拈_關(guān)頻率的新值。

就像s域中的模擬補償器一樣，圖3所示的離散時間控制器在z域中具有頻率響應(yīng)。正是控制器系數(shù)決定了頻率響應(yīng)，從而決定了電源的穩(wěn)定性。因此，工程師必須分析計算控制器系數(shù)以穩(wěn)定電源。

微控制器在電源中使用多年，目的是使用相對簡單和低成本的微控制器實現(xiàn)諸如PMbus和風(fēng)扇速度控制的基本功能。然而，全數(shù)字控制以前在服務(wù)器和電信市場最為普遍，在工業(yè)和醫(yī)療市場的占有率滯后。

制約數(shù)字控制轉(zhuǎn)換的因素主要是與數(shù)字功率相關(guān)的成本和復(fù)雜性。好消息是，具有實現(xiàn)全數(shù)字控制所需的DSP功能的現(xiàn)代微控制器的成本近年來已顯著降低，使得它們可用于更多的設(shè)計。然而，復(fù)雜性仍然是一個問題。這種復(fù)雜性源于對設(shè)計電源的混合域方法的需要；工程師需要將他們的電源設(shè)計知識與編寫有效代碼和穩(wěn)定離散時間控制回路的能力結(jié)合起來。

那么，切換到數(shù)字控制的原因是什么呢？數(shù)字控制回路比模擬回路具有許多優(yōu)點。數(shù)字電源對控制回路部件的環(huán)境、溫度、老化和公差不敏感。它允許系統(tǒng)實時監(jiān)控電源的性能，并根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)以調(diào)整性能。此外，先進的離散時間控制技術(shù)允許我們實現(xiàn)比模擬補償器更高的性能，在幾個開關(guān)周期內(nèi)從瞬態(tài)恢復(fù)過來。這一直是特別關(guān)注的負(fù)載點（POL）轉(zhuǎn)換器市場，一直很大的采用數(shù)字電源。一個高性能的微控制器可以用來穩(wěn)定和調(diào)節(jié)多個功率級，而不需要為每個功率級提供單獨的模擬控制IC。

對于高效率轉(zhuǎn)換器的不斷增長的需求是一個領(lǐng)域，其中數(shù)字電源的靈活性提供了超出典型模擬控制方案能力的解決方案。這包括調(diào)整PSU的操作以達到最佳的零電壓或零電流開關(guān)-減少開關(guān)損耗，提高整體效率?；蛘撸覀冞€可以考慮提高使用多個電源的整體數(shù)據(jù)中心或系統(tǒng)的效率的影響。這可以通過基于來自系統(tǒng)內(nèi)的主控制器的信息響應(yīng)關(guān)閉或進入低功率模式的請求來實現(xiàn)。

圖4：典型的控制回路持續(xù)時間與PWM開關(guān)周期。

用于數(shù)字功率應(yīng)用的最新微控制器包含DSP功能，允許數(shù)字控制環(huán)路在每個開關(guān)周期內(nèi)只在單個PWM開關(guān)周期的一小部分內(nèi)執(zhí)行。圖4顯示了一個典型的數(shù)字電源的PWM開關(guān)周期。在這個簡單的例子中，每個開關(guān)周期輸出電壓一次。一個幾百納秒的ADC轉(zhuǎn)換時間對于設(shè)計用于數(shù)字功率應(yīng)用的微控制器來說是典型的。在ADC轉(zhuǎn)換之后，調(diào)用中斷服務(wù)例程來執(zhí)行離散時間控制器。這是一個時間關(guān)鍵例程，因此控制器可以用匯編代碼編寫，以利用MAC指令并優(yōu)化每個指令周期的使用。

如圖4所示，對于這個例子，MCU不花費執(zhí)行控制器的時間是我們的備用帶寬。此備用帶寬可用于執(zhí)行特定于客戶應(yīng)用程序的其他任務(wù)或功能。任何低優(yōu)先級任務(wù)都是在慢速循環(huán)中運行的，每當(dāng)出現(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)時，都會被中斷，例如ADC中斷來運行控制環(huán)路代碼。

根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜性，為電源開發(fā)堅固且有效的固件可能需要大量的時間。此外，還包括驗證和測試過程以及各種安全認(rèn)證所需的文件。因此，需要將大量的資源投入到數(shù)字電源的開發(fā)中。然而，一旦進行初始投資，數(shù)字電源的另一個好處就是在許多不同的產(chǎn)品上重用固件的能力。例如，在一系列中具有不同輸出電壓的產(chǎn)品的固件的改變可以僅僅是改變控制器系數(shù)的簡單情況。

考慮到微控制器給設(shè)計帶來的靈活性，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可能不能滿足客戶的所有要求時，數(shù)字電源非常適合于定制電源應(yīng)用?？赡艽嬖谔囟ǖ耐ㄐ判枨?，例如通過USB、I2C或EtherCAT控制電源，以及在稍后日期使用實時固件更新通信協(xié)議的可能性。用戶可能要求動態(tài)地調(diào)整輸出電壓或電流限制，或者要求實時監(jiān)測、電源軌排序或輸出模塊之間的精確電流分配。

當(dāng)然，用于數(shù)字電源的高性能微控制器將比它取代的模擬IC更昂貴。然而，數(shù)字控制器為MCU內(nèi)實現(xiàn)其他功能提供了機會，而不是使用離散組件。這可以減少元件數(shù)量和提供更緊湊的解決方案，特別是對于具有復(fù)雜信號要求或可以使用一個微控制器控制的多個電源軌的設(shè)計。其結(jié)果可能是一種整體的解決方案，當(dāng)使用微控制器而不是模擬解決方案時，它更具成本效益。當(dāng)然，對于一些復(fù)雜的需求，數(shù)字化可能是唯一的解決方案。

XP Power擁有利用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品范圍的多樣性實現(xiàn)復(fù)雜定制電源解決方案的知識和能力。隨著MCU在電源的核心，定制電源應(yīng)用的可能性是深遠的?？紤]到數(shù)字電源提供的許多好處，在未來幾年中，我們可能會看到數(shù)字電源的日益增加。