開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)方案
雖然業(yè)內(nèi)不少人都以為，模仿和數(shù)字技術(shù)很快將搶奪電源調(diào)理器件控制電路的主導(dǎo)權(quán)，但實(shí)踐狀況是，在反應(yīng)回路控制方面，這兩種技術(shù)看起來(lái)正高興地共存著。
確實(shí)，許多電源管理供給商都提供了不同的計(jì)劃。一些數(shù)字控制最初的可編程優(yōu)勢(shì)如今以至在采用模仿反應(yīng)回路的控制器和穩(wěn)壓器中也有了。當(dāng)然，數(shù)字電源還是有一些吸收人之處。
本文主要討論脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖密度調(diào)制(PDM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實(shí)踐開(kāi)關(guān)的一個(gè)或多個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)器，另一些則沒(méi)有。還有一些以至集成了開(kāi)關(guān)FET，假如它們提供適宜的負(fù)荷的話。因而，數(shù)字還是模仿的問(wèn)題取決于穩(wěn)壓器的控制回路如何閉合。
圖1顯現(xiàn)了兩種最常見(jiàn)的PWM開(kāi)關(guān)拓樸規(guī)劃的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉(zhuǎn)換器。在同步配置中，第二只晶體管將取代二極管。在某種意義上來(lái)講，脈沖寬度調(diào)制的采用使得這些轉(zhuǎn)換器“準(zhǔn)數(shù)字化”，至少可與基于一個(gè)串聯(lián)旁路元件的723型線性穩(wěn)壓器相比。事實(shí)上，PWM使得采用數(shù)字控制回路成為可能。不過(guò)，圖1中的轉(zhuǎn)換器短少控制一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)關(guān)占空比的電路，它可在模仿或數(shù)字域中完成。
不論采用模仿還是數(shù)字技術(shù)，都有兩種方式完成反應(yīng)回路：電壓形式和電流形式。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，首先思索它在模仿域中如何完成。
圖1: 沒(méi)有控制器的開(kāi)關(guān)形式DC-DC電源非常簡(jiǎn)單。不管用于升壓還是降壓，其勝利與否取決于設(shè)計(jì)者如何布置一些根本的元器件。
在電壓形式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個(gè)與振蕩器斜坡信號(hào)相比擬的小誤差信號(hào)(圖2)，當(dāng)電路輸出電壓變化時(shí)，誤差電壓也產(chǎn)生變化，后者反過(guò)來(lái)改動(dòng)比擬器的門限值。反過(guò)來(lái)，這將使輸出信號(hào)寬度發(fā)作變化。這些脈沖控制穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間。隨著輸出電壓升高，脈沖寬度將變小。
圖2: 電壓形式反應(yīng)(本例中在模仿域)包含一個(gè)控制回路。
電流形式控制的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其管理電感電流的才能。一個(gè)采用電流形式控制的穩(wěn)壓用具有一個(gè)嵌套在一個(gè)較慢的電壓回路中的電流回路。該內(nèi)回路感應(yīng)開(kāi)關(guān)晶體管的峰值電流，并經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖一個(gè)脈沖地控制各晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，使電流堅(jiān)持恒定。
與此同時(shí)，外回路感應(yīng)直流輸出電壓，并向內(nèi)回路提供一個(gè)控制電壓。在該電路中，電感電流的斜率生成一個(gè)與誤差信號(hào)相比擬的斜坡。當(dāng)輸出電壓下跌時(shí)，控制器就向負(fù)載提供更大的電流(圖3)。
圖3: 電流形式反應(yīng)采用了嵌套反應(yīng)回路。與電壓形式不同，它需求計(jì)入電感上的電流。
在這些控制拓樸中，在回路的相移到達(dá)360°的恣意頻率處，控制回路的增益不能超越1。相移包括了將控制信號(hào)饋入反應(yīng)運(yùn)放的倒相輸入端所產(chǎn)生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。
穩(wěn)定回路請(qǐng)求對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移停止補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，采用模仿PWM來(lái)穩(wěn)定電源通常需求采用經(jīng)歷辦法：你在一塊與消費(fèi)型電路板相同規(guī)劃的實(shí)踐電路板上，實(shí)驗(yàn)各種無(wú)源器件的不同組合，并察看在電源電壓和負(fù)載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡(jiǎn)單。由于如今模仿控制器公司在其本人的型號(hào)產(chǎn)品上完成了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在存放器中插入一個(gè)值”的功用。
數(shù)字控制回路
大多數(shù)電壓形式控制的數(shù)字完成計(jì)劃包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、完成一些控制算法的微控制器或DSP、以及一個(gè)數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器(DPWM)，該DPWM拾取控制器輸出并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(hào)(圖4)。
圖4: 電壓形式控制的數(shù)字完成消弭了鋸齒產(chǎn)生器。在其他方面，它們與模仿完成嚴(yán)密對(duì)應(yīng)。
首先，ADC產(chǎn)生饋入控制器的一系列輸出電壓的數(shù)字表示�？刂扑惴ㄊ侨藗兯炝�(xí)的比例積分(PI)或比例積分/差分(PID)算法。
在一個(gè)PID控制器(更復(fù)雜的實(shí)例)中，每個(gè)ADC輸入都要執(zhí)行基于一系列系數(shù)的算法。比例系數(shù)是與靈活度相關(guān)的增益因子。整數(shù)系數(shù)依照錯(cuò)誤呈現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)調(diào)理PWM的占空比。誘導(dǎo)系數(shù)補(bǔ)償回路的時(shí)間延遲(相位更有效)。綜合起來(lái)，PID算法的各個(gè)系數(shù)決議了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。
控制器隨后將ADC的輸出電壓表示轉(zhuǎn)換成維持希冀的輸出電壓所需的脈沖持續(xù)時(shí)間(占空比)信息。然后，該信息被傳送至一個(gè)DPWM，它執(zhí)行與模仿PWM一樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生功用。
留意模仿和數(shù)字控制計(jì)劃管理開(kāi)關(guān)晶體管的不同。模仿控制器在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)開(kāi)關(guān)晶體管成ON狀態(tài)，并在電壓坡度到達(dá)預(yù)設(shè)的門檻電壓時(shí)將晶體管觸發(fā)成OFF狀態(tài)；PID控制器則計(jì)算開(kāi)關(guān)晶體管ON和OFF狀態(tài)期間所需的持續(xù)時(shí)間。
理論上，模仿控制能夠提供連續(xù)精度的輸出電壓。但ADC精度和采樣率的交互作用再加上DPWM開(kāi)關(guān)速率，使事情變得有些復(fù)雜。
例如，DPWM必需具有比ADC更高的精度。否則，ADC輸出的1-LSB變化就可能招致DPWM使輸出電壓變化大于1-LSB。其結(jié)果是，輸出電壓就穩(wěn)定地在兩個(gè)數(shù)值之間轉(zhuǎn)換，這個(gè)狀態(tài)被稱之為“限制性循環(huán)”。
不過(guò)，防止循環(huán)也不是輕而易舉的。這是由于要提供DPWM更高的精度就意味著必需進(jìn)步其脈沖速率(脈沖速率決議了在任一給定時(shí)間段可以產(chǎn)生幾比特)。但是，DPWM脈沖速率限制了它對(duì)一切來(lái)自控制器的比特停止緊縮的時(shí)間。Artesyn白皮書中的例子引見(jiàn)了一個(gè)假定的具有1MHz開(kāi)關(guān)速率和10位ADC的DPWM。計(jì)算顯現(xiàn)，調(diào)制器請(qǐng)求超越1 GHz的脈沖速率。
當(dāng)然，如此的高速度是不實(shí)在際的，因而數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)者必需找到另一種替代處理計(jì)劃。一種計(jì)劃是引入一些DPWM時(shí)鐘顫動(dòng)。穩(wěn)壓器輸出過(guò)濾器對(duì)饋入的任一脈沖串停止均勻，這使對(duì)每個(gè)mth輸出脈沖的寬度停止相當(dāng)于1 LSB的調(diào)整成為可能。
這將脈沖串的均勻值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。假如在控制器輸入端的1-LSB使輸出脈沖串均勻變化10mV，這將使每四個(gè)脈沖縮短相應(yīng)于10 mV的時(shí)間，那么經(jīng)過(guò)濾波器的均勻輸出電壓將降低 10mV/4或2.5mV。
替代處理辦法
雖然簡(jiǎn)直一切數(shù)字控制器采用ADC和程序存儲(chǔ)控制器，但這并不是獨(dú)一可能的處理計(jì)劃。去年，Zilker Labs留意到，到達(dá)最新Pentium級(jí)處置器所請(qǐng)求的階躍響應(yīng)(每毫微秒數(shù)百安)，請(qǐng)求在控制器中采用相當(dāng)快同時(shí)對(duì)功率耗費(fèi)量大的DSP。
作為一種較低功耗的替代計(jì)劃，該公司推出了一款基于比擬器(而不是ADC)和狀態(tài)機(jī)(而不是程序存儲(chǔ)處理計(jì)劃)的控制器。
此外，前述簡(jiǎn)單的降壓型或升壓型拓樸也不是完成數(shù)字穩(wěn)壓的獨(dú)一途徑。Vicor提出了一種完整不同的處理計(jì)劃，它基于比前述簡(jiǎn)單的降壓型或升壓型拓樸要復(fù)雜得多的穩(wěn)壓器拓樸，并重新分配了電源架構(gòu)中的各個(gè)根本元素。
最后，數(shù)字控制曾是一項(xiàng)打破性技術(shù)，但往常數(shù)字控制的諸多益處也已呈現(xiàn)在模仿控制穩(wěn)壓器中。
固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。
穩(wěn)定回路請(qǐng)求對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移停止補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，采用模仿PWM來(lái)穩(wěn)定電源通常需求采用經(jīng)歷辦法：你在一塊與消費(fèi)型電路板相同規(guī)劃的實(shí)踐電路板上，實(shí)驗(yàn)各種無(wú)源器件的不同組合，并察看在電源電壓和負(fù)載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡(jiǎn)單。由于如今模仿控制器公司在其本人的型號(hào)產(chǎn)品上完成了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在存放器中插入一個(gè)值”的功用。
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