推動(dòng)電源創(chuàng)新與定制的數(shù)字反饋回路

出于更好的功率調(diào)節(jié)和更嚴(yán)密的安全性考慮，需要高效而智能的電源――可以從外部進(jìn)行監(jiān)控，制造上更具成本效益，且硬件改動(dòng)極小的電源。電源工程的發(fā)展已經(jīng)表明：功率轉(zhuǎn)換反饋回路的數(shù)字控制使得設(shè)計(jì)人員能夠以更低的成本開發(fā)出更精確、可靠的電源，且電源的功率密度更高，可以更快上市。

在DC/DC轉(zhuǎn)換額定功率100W和AC/DC轉(zhuǎn)換額定功率250W的電源中，使用模擬反饋電路仍然是有道理的。但是，在功能要求更高、額定功率更大的電源中，功率轉(zhuǎn)換反饋回路的數(shù)字控制就變得至關(guān)重要，因?yàn)樗芸朔潭M方法所具有的大部分局限性。例如，容性負(fù)載可能會(huì)顯著影響電源的穩(wěn)定性。盡管設(shè)計(jì)模擬反饋系統(tǒng)時(shí)，可以處理容性負(fù)載，但負(fù)載電容的顯著變化可能會(huì)超出設(shè)計(jì)的相位和增益裕量。而數(shù)字反饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠隨時(shí)調(diào)整補(bǔ)償，這樣反饋就能實(shí)時(shí)地對(duì)變化范圍較寬的負(fù)載特性進(jìn)行補(bǔ)償。
一直到不久前，數(shù)字反饋系統(tǒng)的使用仍相當(dāng)有限，原因是數(shù)字反饋系統(tǒng)被認(rèn)為是復(fù)雜的，所需DSP的成本不低以及外設(shè)的能力有限。不過，經(jīng)過一定的培訓(xùn)，人們頭腦中對(duì)數(shù)字反饋系統(tǒng)的復(fù)雜性印象開始逐漸減弱；同時(shí)，數(shù)字信號(hào)控制器DSC的引入也減輕了成本和外設(shè)功能等方面問題。

DSC把MCU的外觀和DSP的計(jì)算處理能力結(jié)合在一起。最終得到的DSC既展現(xiàn)了DSP的數(shù)學(xué)性能，又保持了外設(shè)的靈活性以及復(fù)雜而協(xié)調(diào)的功能。DSC顯著降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，但又沒有犧牲CPU性能。實(shí)際上，憑借上述特性，采用DSC的設(shè)計(jì)要比DSP設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多，因?yàn)楹芏郉SC產(chǎn)品都具有電源友好的片上外設(shè)。這樣的外設(shè)包括基于計(jì)數(shù)器的脈寬調(diào)制模塊、模擬比較器以及ADC等；從而能夠進(jìn)行基于模擬比較器的反饋和ADC采樣。這些功能，再加上單時(shí)鐘周期的快速乘法，使得DSC能夠輕松處理電源控制回路軟件所需的高執(zhí)行速度。

由于DSC的性能，再加上高功率設(shè)計(jì)的較低開關(guān)頻率，即使是一塊帶有恰當(dāng)外設(shè)、性能普通的DSC也能輕松地處理多個(gè)控制回路。這意味著，單個(gè)芯片不僅能夠改善電源的響應(yīng)特性，還能夠同時(shí)改善多個(gè)獨(dú)立輸出的響應(yīng)特性。

在開始電源設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員必須做出三項(xiàng)決策：
1 設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2 工作模式
3 控制方法
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由設(shè)計(jì)中輸入至輸出的電壓比決定。工作模式取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、需要的輸出電流以及元器件相關(guān)成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術(shù)，其次是元器件成本。我們將詳細(xì)討論它們，同時(shí)還要考慮到DSC的使用將如何影響決策。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如前所述，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由設(shè)計(jì)中輸入至輸出的電壓比決定。對(duì)于較高的輸入電壓，通常使用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；而較低的輸入電壓則通常使用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，經(jīng)常影響拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決策的另一個(gè)因素是：是否存在滿足功能要求同時(shí)又與所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼容的PWM控制器。說到底，如果設(shè)計(jì)人員不能產(chǎn)生合適的開關(guān)信號(hào)，使用開關(guān)式電源SMPS是不可能的。
這時(shí)，就該DSC上場(chǎng)了。由于DSC的外設(shè)是可編程的，就有可能產(chǎn)生單個(gè)PWM輸出、兩相或多相PWM輸出、半橋驅(qū)動(dòng)輸出，甚至產(chǎn)生全H橋驅(qū)動(dòng)輸出。實(shí)際上，由于DSC外設(shè)的可編程性，給定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)甚至不需要保持不變。DSC完全有能力從單相切換到兩相，然后再切換到三相，切換時(shí)在相與相之間都能保持恰當(dāng)?shù)南嘁啤Ｓ行〥SC甚至功能更強(qiáng)，它們提供了橋式輸出之間的死區(qū)控制，從而避免同步開關(guān)設(shè)計(jì)中的超調(diào)電流（見圖1）。

圖1 可能的DSC PWM配置

工作模式

接下來要考慮的是工作模式。通常，模擬設(shè)計(jì)要么使用連續(xù)電感電流，要么使用不連續(xù)的電感電流。這兩種選擇都有明顯的優(yōu)點(diǎn)。不連續(xù)的電流模式設(shè)計(jì)，即便輸出電流降到零，也能夠維持電壓穩(wěn)定。連續(xù)的設(shè)計(jì)使用更小的磁材料，能夠?qū)敵鲭妷杭y波進(jìn)行更好的控制。不久之前，由于這兩種模式的反饋要求不同，還不可能有效地把它們組合在一起?，F(xiàn)在，這一組合已成為可能了。
但是，在工作時(shí)可以實(shí)時(shí)地重新配置DSC的可編程外設(shè)。這就意味著采用DSC的設(shè)計(jì)能夠在工作模式之間進(jìn)行切換；當(dāng)輸出電流足以使工作穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)切換到連續(xù)模式，而當(dāng)輸出電流下降得過低時(shí)切換到不連續(xù)模式。

模擬設(shè)計(jì)當(dāng)然能夠進(jìn)行類似的切換，盡管如此，模擬設(shè)計(jì)卻需要兩條反饋通道（每種模式一條），切換時(shí)將產(chǎn)生瞬間毛刺。所以，DSC就多了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它只需要一條反饋通道。由于反饋是建立在軟件基礎(chǔ)之上的，就還有可能預(yù)先裝載反饋濾波器的存儲(chǔ)元件，從而防止出現(xiàn)切換毛刺（見圖2）。

圖2 DSC工作模式改變

控制方法

最后的決策是設(shè)計(jì)的控制方法――是使用電壓模式控制還是電流模式控制。傳統(tǒng)的模擬SMPS設(shè)計(jì)使用這兩種控制方法中的任何一種，最終的決策通常取決于成本和可用的技術(shù)。
電壓模式控制是較老的方法，大多數(shù)早期SMPS設(shè)計(jì)中使用的就是電壓模式控制；它使用斜坡信號(hào)發(fā)生器和電壓比較器把來自偏差放大器/回路濾波器的偏差信號(hào)，轉(zhuǎn)換成PWM脈沖寬度。雖然簡(jiǎn)單，但電壓模式控制有三個(gè)基本局限。首先，沒有為保護(hù)電路元件而對(duì)電流進(jìn)行限制。其次，對(duì)于輸入或輸出的瞬變響應(yīng)較慢。第三，它產(chǎn)生的反饋回路本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。

電流模式是更好更安全的控制模式，它在構(gòu)成上是雙回路的。內(nèi)電流回路用來給電感充電，一直充到由輸出電壓回路指定的峰值電流為止。外回路類似于電壓模式控制的反饋回路，它也監(jiān)控輸出和相位/頻率，補(bǔ)償反饋，并調(diào)節(jié)由電流回路傳輸?shù)哪芰俊?

由于內(nèi)環(huán)定期調(diào)節(jié)電感電流，電感器必然不能記憶前次脈沖，也不能把能量從一個(gè)周期傳遞給另一個(gè)周期。內(nèi)環(huán)還為晶體管提供了峰值電流保護(hù)，消除了磁性元件中的磁滯效應(yīng)，抑制了輸入電壓引起的變化，還提供了簡(jiǎn)便的控制回路補(bǔ)償。

圖3 SMPS設(shè)計(jì)中，采用DSC的數(shù)字電流模式控制

在數(shù)字SMPS設(shè)計(jì)中，電流模式控制的一種有效實(shí)現(xiàn)建立在DSC使用的基礎(chǔ)之上。DSC具有片上PWM外設(shè)，其工作方式與電流模式PWM發(fā)生器一樣（見圖3）。區(qū)別在于數(shù)字反饋的輸出。電壓模式設(shè)計(jì)利用反饋來直接控制PWM的占空比；而電流模式設(shè)計(jì)則利用DSC中PWM的基于比較器的脈沖終止功能，根據(jù)電流反饋來調(diào)節(jié)脈沖寬度，來調(diào)節(jié)由數(shù)字反饋驅(qū)動(dòng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出。

通過計(jì)算SMPS設(shè)計(jì)所需的PWM頻率和最大占空比，并使用這些參數(shù)來配置PWM計(jì)數(shù)器，就可實(shí)現(xiàn)電流模式控制。這設(shè)定了系統(tǒng)的最大占空比和脈沖頻率。接下來，設(shè)計(jì)必須調(diào)整DAC參考輸出，以便處理預(yù)期的最大范圍內(nèi)的電流反饋信號(hào)。這樣做，在控制PWM占空比時(shí)能夠提供最高的精度。最后，要開發(fā)特定的比例－積分－微分軟件程序，這是控制和穩(wěn)定系統(tǒng)所必須的。PID程序不僅為穩(wěn)定性提供了恰當(dāng)?shù)姆答仯ɑ趤碜訟DC的電壓反饋），而且還必須把反饋信號(hào)與其內(nèi)部數(shù)字參考信號(hào)進(jìn)行比較，輸出期望的電流設(shè)定值給DAC（DAC產(chǎn)生比較器的參考信號(hào)）（見圖3）。

數(shù)字回路控制注意事項(xiàng)

在SMPS應(yīng)用中使用DSC應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素是要確保片上PWM模塊能夠?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)提供足夠的分辨率。DSC上的ADC為系統(tǒng)提供至控制回路的狀態(tài)（反饋信號(hào)），其也應(yīng)該有足夠的分辨率和速度。接下來，重要的是挑選DSC，DSC的片上模擬比較器要為產(chǎn)生脈沖寬度提供足夠的速度。ADC可以替代比較器，用來終止PWM脈沖，但ADC得連續(xù)地監(jiān)控和處理信號(hào)。這是對(duì)處理能力的浪費(fèi)，因?yàn)楸槐O(jiān)控的信號(hào)僅僅與固定的限值進(jìn)行比較。高速模擬比較器解放了處理器和ADC，讓它們執(zhí)行其他更有價(jià)值的任務(wù)，同時(shí)使得DSC能夠執(zhí)行電源故障保護(hù)和電流限制功能。

此外，如果DSC的ADC模塊能夠提供獨(dú)立的采樣保持電路，那么這樣的DSC會(huì)很有用。于是，DSC能夠在準(zhǔn)確的時(shí)刻同時(shí)對(duì)多個(gè)電壓或電流信號(hào)進(jìn)行采樣，這樣甚至能夠?qū)Τ掷m(xù)時(shí)間短暫的信號(hào)進(jìn)行采樣，有助于降低系統(tǒng)成本。如果ADC能夠進(jìn)行異步采樣就更好，因?yàn)樗苤С止ぷ髟诓煌l率下的多重控制回路，諸如運(yùn)行在70kHz的功率因數(shù)校正電路和工作在250kHz的DC/DC模塊。

SMPS設(shè)計(jì)中的PID算法

圖4 PID控制循環(huán)的軟件結(jié)構(gòu)

使用PID算法（見圖4），把偏差――實(shí)際輸出電壓與期望值之差――的比例、積分和微分組合在一起，控制PWM占空比。電壓及電流模式控制回路中均可采用PID算法。同樣的，有些DSC并不需要復(fù)雜的DSP編程技能，因?yàn)樗窃谑煜さ腗CU環(huán)境中把DSP功能當(dāng)作外設(shè)來提供。
大于50%的占空比可能會(huì)出現(xiàn)電流模式的穩(wěn)定性問題。但是，通過PID軟件可以方便地進(jìn)行處理，軟件設(shè)定了期望的電流大小，所以按比例縮放DAC值非常簡(jiǎn)單。這就使得斜坡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字實(shí)現(xiàn)，要比使用模擬技術(shù)更加容易；使用模擬技術(shù)的話，斜坡發(fā)生器要與PWM脈沖進(jìn)行同步，還需要一個(gè)把斜坡信號(hào)與電流反饋信號(hào)相加的求和點(diǎn)。使用這種方法，得到的是電流模式的SMPS設(shè)計(jì)，與運(yùn)行在1～2 BIPS的快速控制器相比較，設(shè)計(jì)是基于經(jīng)濟(jì)的、MIPS更低的DSC的。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC具有高精度數(shù)字PWM發(fā)生器、額定采樣速度為每秒兩百萬次的ADC、帶關(guān)聯(lián)10位參考DAC的高速模擬比較器以及30 MIPS高性能具備DSP處理能力的控制器。

PID控制循環(huán)是控制軟件的核心（見圖4）。每當(dāng)ADC中斷定期發(fā)生時(shí)，就運(yùn)行該軟件。諸如電壓斜坡上升/下降、偏差檢測(cè)、前饋計(jì)算這樣的系統(tǒng)函數(shù)以及通信支持程序應(yīng)該在空閑循環(huán)（Idle Loop）中執(zhí)行，其目的是要減輕PID控制軟件中不必要的工作負(fù)擔(dān)。

由于軟件中PID循環(huán)是時(shí)間要求很高的部分，為了高效使用DSC的資源，PID循環(huán)占用的可用處理器帶寬不應(yīng)該超過66%。這樣，就給設(shè)計(jì)留下了足夠的處理器能力，以便處理諸如通信等在空閑循環(huán)中執(zhí)行的函數(shù)，或者處理諸如軟啟動(dòng)和定序這樣的支持函數(shù)。在基于30MIPS DSC的SMPS應(yīng)用中，PID循環(huán)由30條指令組成，執(zhí)行時(shí)間約為1μs。如果循環(huán)速度保持在500kHz（約2μs）的話，PID控制循環(huán)使用可用處理器帶寬的一半，即15MIPS。

SMPS中數(shù)字反饋控制的優(yōu)點(diǎn)
在電源中使用數(shù)字反饋控制有若干優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)主要是關(guān)于靈活性的，讓設(shè)計(jì)人員擁有了更多的自由，更大的創(chuàng)新空間。前面已經(jīng)提到，設(shè)計(jì)中經(jīng)常考慮的問題是：在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)有沒有合適的技術(shù)可利用。DSC的優(yōu)點(diǎn)在于其可配置性，使設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出針對(duì)所需設(shè)計(jì)的適當(dāng)技術(shù)。例如，如果電源必須在啟動(dòng)和關(guān)斷期間協(xié)調(diào)多個(gè)輸出電壓，或者必須在一組獨(dú)立的功率轉(zhuǎn)換模塊之間進(jìn)行負(fù)載或電流共享，數(shù)字反饋控制無需額外支出，就能提供這樣的功能。如果使用模擬元件以這樣的方式來定制電源的話，成本將非常高昂。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崟r(shí)地改變系統(tǒng)，或者說擁有“熱交換”（hot-swap）功能。例如，在電信或其他任務(wù)至關(guān)重要的應(yīng)用中，如果電源模塊出現(xiàn)故障的話，服務(wù)技術(shù)人員可以在系統(tǒng)繼續(xù)工作時(shí)，用新電源模塊來替換故障模塊。使用模擬元器件的話，這種“熱交換”功能將會(huì)非常昂貴，但如果電源是通過DSC進(jìn)行數(shù)字控制的話，就極具成本效益優(yōu)勢(shì)。

此外，如果電源必須應(yīng)對(duì)不斷變化的需求的話，可以方便地對(duì)DSC重新編程，以便滿足要求；但是對(duì)于基于模擬的電源設(shè)計(jì)，就必須從頭設(shè)計(jì)新的模塊。還有，由于有片上閃存，DSC能夠簡(jiǎn)化電源生產(chǎn)裝配線，即可以對(duì)一個(gè)批次的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行配置，以便滿足客戶不同的電壓和/或電流要求。電源微調(diào)和校準(zhǔn)也可以通過對(duì)DSC的閃存進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)，從而不需要微調(diào)電位計(jì)或由激光微調(diào)電阻。數(shù)字電源還能夠載入測(cè)試友好的軟件，用于開發(fā)板的測(cè)試，或者，基于相同的DSC硬件平臺(tái)，生產(chǎn)多種定制產(chǎn)品。

結(jié)語

關(guān)鍵之處在于，數(shù)字功率轉(zhuǎn)換的好處眾多；通過使用片上支持電源的外設(shè)的DSC，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在能夠以一種簡(jiǎn)便、兼具成本效益的方式領(lǐng)略到這些優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電源讓設(shè)計(jì)人員擁有更多的自由，更大的創(chuàng)新空間，能夠設(shè)計(jì)出可靠性更高、靈活性更大且可響應(yīng)瞬態(tài)變化的電源，而且可以在生產(chǎn)末期通過固件來方便地進(jìn)行定制，而不是通過硬件來進(jìn)行。