實現可靠的高性能數字電源(1)

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

簡介

        諸如 AC 至 DC 和 DC 至 DC SMPS 等傳統電源產品均採用了一種模擬控制迴路來對 PWM 模塊、 集成電路（Integrated Circuit，IC）和功率器件進行基本控制，並在這一基礎上添加了 由單片機執行的數字信號控制和通信功能。但是，在數字電源中，模擬控制迴路被數字控 制迴路所取代，並且 PWM 模塊通常集成在執行高級控制和通信的同一顆單片機中。 為了更好地理解數字電源的架構選擇和關鍵性能參數，最好先搞清楚使用數字迴路的好處。 通過採用數字迴路控制來實現電源轉換，可使開發人員的設計和業務大大受益。通過可再 編程軟體執行電源轉換控制的功能以及 DSC 解決方案的性能和功能正是這些益處產生的原 因。

以下是使用數字迴路的諸多好處：
一. 增加了功率密度
      通過減少元件數量和縮小元件尺寸來縮小系統尺寸；

二.加快了上市時間，簡化了生產過程 
     使用更少的元件實現功能豐富的設計；
     由 DSC 軟體執行功率因數校正 ；
     降低因元件容差/參數漂移而引起的設計複雜度 ；
     利用軟體以更少的硬體平台支持各種各樣的最終產品；
     消除了生產線調整——無元件容差問題；
     允許下生產線後進行配置（負載限制和通信協議等）；
     提高了自測功能，簡化和加快了產品測試；

三.新的高性價比特性
     適應變化的負載（容性、感性、阻性和電流需求）；
     更好的瞬態響應規範 —— 不僅限於線性技術；
     管理電壓的變化，避免元件參數超出規範限定；

四.增加了可靠性
     限制電源的工作參數不會超出規範限定；
     元件數量的減少有助於可靠性的提高；
     成本較低的冗餘選項；

五.保護智慧財產權（Intellectual Property，IP）
     由存儲在受保護閃存中的軟體實現關鍵的創新 IP；

數字迴路結構

     許多不同的電源轉換拓撲結構均可通過使用現代 DSC 技術的數字迴路控制實現。
      圖 1 描繪 了一個已大大簡化的控制電源轉換的數字迴路結構示例。

       虛線框內的所有組件均包含在 DSC 內。要實現數字迴路，首先必須使用 ADC 對模擬信號進 行轉換。本例中，運行在 DSC 中的軟體對採樣進行處理以執行控制電源所必需的電壓和電 流控制迴路。這些迴路的執行結果隨後被用來控制片上數字 PWM 模塊，由該模塊直接控制 功率器件。目前基本的數字控制迴路功能通常是由運行在 DSC 中的軟體實現的，軟體執行 的是定點算術運算。 DSC 的內部架構集單片機和數字信號處理器（ Digital Signal Processor，DSP）的功能於一身。DSC 中的 DSP 部分執行基本的算術運算以實現數字電源 轉換的控制算法。例如，某些專用於數字電源轉換的 DSC 內部具有 16 位的定點 DSP 引擎。 目前已經討論了實現數字電源轉換所需的基本組件，文中後續部分還將對其進行詳細研究。 但現在我們首先要考慮的是對實現可靠而經濟有效的轉換器至關重要的實際問題。 要達到可靠、高效且功率密度大的目標，用於數字電源轉換的 DSC 自身必須能提供實現轉 換所必需的絕大多數組件。這一點很重要，因為如果數字電源設計方案需要許多外部支持 晶片的話，這三個目標將會受到影響。

       圖 2 是配備有實現可靠的高性能數字電源轉換所必需的組件的 DSC 示例的基本框圖。有助 於減少元件數量和增加電源可靠性的特定外設和功能有：

1. 內部數字 PWM。用於數字電源轉換的 DSC 應具有一個專為驅動電源轉換電橋而設計 的高速數字 PWM。
2. 內部 ADC。數字電源轉換需要 DSC 帶有一個具有特殊觸發和採樣/保持功能的高性能 ADC。
3.  內部模擬比較器。片內模擬比較器有助於實現特定的高速控制算法，如限流算法。 比較器應在內部與數字 PWM 模塊相連並配備有可編程內部參考電壓模塊。
4.  內部電源管理。DSC 內部的電源管理子系統提供欠壓復位和上電復位功能，以及允 許 DSC 實現單電源供電的內部電壓。
5.  內部高精度 RC 振盪器。該高精度 RC 振盪器和內部鎖相環（Phase Locked Loop， PLL）電路提供驅動處理器和高速外設所需的所有時鐘信號。
6.  內部通信外設。器件應具有與系統中其他部分通信所必需的通信外設。
7.  內部閃存和 RAM。器件必須包含運行軟體所需的內部存儲器。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品而編寫的數字電源轉換軟體， 使軟體具有充分的靈活性。
8.  小尺寸。DC 至 DC 的應用對空間有一定的限制，因此 DSC 必須以小封裝形式提供。
9.  擴展級溫度。對於許多高功率密度應用，電源的工作溫度較高，這就要求 DSC 可承 受更大的溫度範圍。

      在研究數字電源轉換設計時，設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 支持單輸入電壓並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 轉換器的某些應用中，器件可執行 AC 至 DC 轉換控制以及諸如功率因數校 正（Power Factor Correction，PFC）等功能。支持增加諸如 PFC 等功能的數字 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 上的軟體即 可實現上述功能，無需外部 PFC 晶片，從而進一步增加了電源的可靠性。
      本文的下一節將深入研究實現數字控制迴路的特定方面以及所需的 ADC、數字 PWM 和比較 器的特性。