開關(guān)電源的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)方案
盡管業(yè)內(nèi)不少人都認(rèn)為，模擬和數(shù)字技術(shù)很快將爭奪電源調(diào)節(jié)器件控制電路的主導(dǎo)權(quán)，但實(shí)際情況是，在反饋回路控制方面，這兩種技術(shù)看起來正愉快地共存著。
的確，許多電源管理供應(yīng)商都提供了不同的方案。一些數(shù)字控制最初的可編程優(yōu)勢現(xiàn)在甚至在采用模擬反饋回路的控制器和穩(wěn)壓器中也有了。當(dāng)然，數(shù)字電源還是有一些吸引人之處。
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)開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實(shí)際開關(guān)的一個(gè)或多個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)器，另一些則沒有。還有一些甚至集成了開關(guān)FET，如果它們提供合適的負(fù)荷的話。因此，數(shù)字還是模擬的問題取決于穩(wěn)壓器的控制回路如何閉合。
圖1顯示了兩種最常見的PWM開關(guān)拓樸布局的變化，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，圖1中的轉(zhuǎn)換器缺少控制一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)占空比的電路，它可在模擬或數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。
不管采用模擬還是數(shù)字技術(shù)，都有兩種方式實(shí)現(xiàn)反饋回路：電壓模式和電流模式。簡單起見，首先考慮它在模擬域中如何實(shí)現(xiàn)。
圖1: 沒有控制器的開關(guān)模式DC-DC電源十分簡單。不論用于升壓還是降壓，其成功與否取決于設(shè)計(jì)者如何安排一些基本的元器件。
在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個(gè)與振蕩器斜坡信號相比較的小誤差信號(圖2)，當(dāng)電路輸出電壓變化時(shí)，誤差電壓也產(chǎn)生變化，后者反過來改變比較器的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發(fā)生變化。這些脈沖控制穩(wěn)壓器開關(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: 電壓模式反饋(本例中在模擬域)包含一個(gè)控制回路。
電流模式控制的一個(gè)優(yōu)勢在于其管理電感電流的能力。一個(gè)采用電流模式控制的穩(wěn)壓器具有一個(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)開關(guān)晶體管的峰值電流，并通過一個(gè)脈沖一個(gè)脈沖地控制各晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，使電流保持恒定。
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)與誤差信號相比較的斜坡。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: 電流模式反饋采用了嵌套反饋回路。與電壓模式不同，它需要計(jì)入電感上的電流。
在這些控制拓樸中，在回路的相移達(dá)到360°的任意頻率處，控制回路的增益不能超過1。相移包括了將控制信號饋入反饋運(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)定回路要求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，采用模擬PWM來穩(wěn)定電源通常需要采用經(jīng)驗(yàn)方法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實(shí)際電路板上，實(shí)驗(yàn)各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負(fù)載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡單。因?yàn)楝F(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個(gè)值”的功能。
數(shù)字控制回路
開關(guān)電源數(shù)字控制的最好解釋是由Artesyn公司的Geof Potter撰寫的《開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制介紹》白皮書，它可在www.astecpower.com/whitepaper/dcdc/上找到。
該白皮書描述了電壓模式控制拓樸，但它也討論了電流模式。大多數(shù)電壓模式控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、實(shí)現(xiàn)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)行開關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(圖4)。
圖4: 電壓模式控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)消除了鋸齒產(chǎn)生器。在其他方面，它們與模擬實(shí)現(xiàn)緊密對應(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。控制算法是人們所熟悉的比例積分(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)是與靈敏度相關(guān)的增益因子。整數(shù)系數(shù)按照錯(cuò)誤出現(xiàn)的時(shí)間長短來調(diào)節(jié)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，PID算法的各個(gè)系數(shù)決定了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。
控制器隨后將ADC的輸出電壓表示轉(zhuǎn)換成維持期望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)行與模擬PWM一樣的驅(qū)動(dòng)信號產(chǎn)生功能。
注意模擬和數(shù)字控制方案管理開關(guān)晶體管的不同。模擬控制器在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)開關(guān)晶體管成ON狀態(tài)，并在電壓坡度達(dá)到預(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，模擬控制可以提供連續(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開關(guān)速率，使事情變得有些復(fù)雜。
例如，DPWM必須具有比ADC更高的精度。否則，ADC輸出的1-LSB變化就可能導(dǎo)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，避免循環(huán)也不是輕而易舉的。這是因?yàn)橐峁〥PWM更高的精度就意味著必須提高其脈沖速率(脈沖速率決定了在任一給定時(shí)間段能夠產(chǎn)生多少比特)。然而，DPWM脈沖速率限制了它對所有來自控制器的比特進(jìn)行壓縮的時(shí)間。Artesyn白皮書中的例子介紹了一個(gè)假設(shè)的具有1MHz開關(guān)速率和10位ADC的DPWM。計(jì)算顯示，調(diào)制器要求超過1 GHz的脈沖速率。
當(dāng)然，如此的高速度是不切實(shí)際的，因此數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)者必須找到另一種替代解決方案。一種方案是引入一些DPWM時(shí)鐘抖動(dòng)。穩(wěn)壓器輸出過濾器對饋入的任一脈沖串進(jìn)行平均，這使對每個(gè)mth輸出脈沖的寬度進(jìn)行相當(dāng)于1 LSB的調(diào)整成為可能。
這將脈沖串的平均值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。如果在控制器輸入端的1-LSB使輸出脈沖串平均變化10mV，這將使每四個(gè)脈沖縮短相應(yīng)于10 mV的時(shí)間，那么通過濾波器的平均輸出電壓將降低 10mV/4或2.5mV。
替代解決方法
盡管幾乎所有數(shù)字控制器采用ADC和程序存儲控制器，但這并不是唯一可能的解決方案。去年，Zilker Labs注意到，達(dá)到最新Pentium級處理器所要求的階躍響應(yīng)(每毫微秒數(shù)百安)，要求在控制器中采用相當(dāng)快同時(shí)對功率消耗量大的DSP。
作為一種較低功耗的替代方案，該公司推出了一款基于比較器(而不是ADC)和狀態(tài)機(jī)(而不是程序存儲解決方案)的控制器。
此外，前述簡單的降壓型或升壓型拓樸也不是實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)壓的唯一途徑。Vicor提出了一種完全不同的解決方案，它基于比前述簡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)基本元素。
最后，數(shù)字控制曾是一項(xiàng)突破性技術(shù)，但如今數(shù)字控制的諸多好處也已出現(xiàn)在模擬控制穩(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)定回路要求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，采用模擬PWM來穩(wěn)定電源通常需要采用經(jīng)驗(yàn)方法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實(shí)際電路板上，實(shí)驗(yàn)各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負(fù)載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡單。因?yàn)楝F(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個(gè)值”的功能。
數(shù)字控制回路
開關(guān)電源數(shù)字控制的最好解釋是由Artesyn公司的Geof Potter撰寫的《開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制介紹》白皮書，它可在www.astecpower.com/whitepaper/dcdc/上找到。
該白皮書描述了電壓模式控制拓樸，但它也討論了電流模式。大多數(shù)電壓模式控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、實(shí)現(xiàn)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)行開關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(圖4)。
的確，許多電源管理供應(yīng)商都提供了不同的方案。一些數(shù)字控制最初的可編程優(yōu)勢現(xiàn)在甚至在采用模擬反饋回路的控制器和穩(wěn)壓器中也有了。當(dāng)然，數(shù)字電源還是有一些吸引人之處。
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)開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實(shí)際開關(guān)的一個(gè)或多個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)器，另一些則沒有。還有一些甚至集成了開關(guān)FET，如果它們提供合適的負(fù)荷的話。因此，數(shù)字還是模擬的問題取決于穩(wěn)壓器的控制回路如何閉合。
圖1顯示了兩種最常見的PWM開關(guān)拓樸布局的變化，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，圖1中的轉(zhuǎn)換器缺少控制一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)占空比的電路，它可在模擬或數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。
不管采用模擬還是數(shù)字技術(shù)，都有兩種方式實(shí)現(xiàn)反饋回路：電壓模式和電流模式。簡單起見，首先考慮它在模擬域中如何實(shí)現(xiàn)。
圖1: 沒有控制器的開關(guān)模式DC-DC電源十分簡單。不論用于升壓還是降壓，其成功與否取決于設(shè)計(jì)者如何安排一些基本的元器件。
在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個(gè)與振蕩器斜坡信號相比較的小誤差信號(圖2)，當(dāng)電路輸出電壓變化時(shí)，誤差電壓也產(chǎn)生變化，后者反過來改變比較器的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發(fā)生變化。這些脈沖控制穩(wěn)壓器開關(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: 電壓模式反饋(本例中在模擬域)包含一個(gè)控制回路。
電流模式控制的一個(gè)優(yōu)勢在于其管理電感電流的能力。一個(gè)采用電流模式控制的穩(wěn)壓器具有一個(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)開關(guān)晶體管的峰值電流，并通過一個(gè)脈沖一個(gè)脈沖地控制各晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，使電流保持恒定。
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)與誤差信號相比較的斜坡。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: 電流模式反饋采用了嵌套反饋回路。與電壓模式不同，它需要計(jì)入電感上的電流。
在這些控制拓樸中，在回路的相移達(dá)到360°的任意頻率處，控制回路的增益不能超過1。相移包括了將控制信號饋入反饋運(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)定回路要求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，采用模擬PWM來穩(wěn)定電源通常需要采用經(jīng)驗(yàn)方法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實(shí)際電路板上，實(shí)驗(yàn)各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負(fù)載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡單。因?yàn)楝F(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個(gè)值”的功能。
數(shù)字控制回路
開關(guān)電源數(shù)字控制的最好解釋是由Artesyn公司的Geof Potter撰寫的《開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制介紹》白皮書，它可在www.astecpower.com/whitepaper/dcdc/上找到。
該白皮書描述了電壓模式控制拓樸，但它也討論了電流模式。大多數(shù)電壓模式控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、實(shí)現(xiàn)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)行開關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(圖4)。
圖4: 電壓模式控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)消除了鋸齒產(chǎn)生器。在其他方面，它們與模擬實(shí)現(xiàn)緊密對應(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。控制算法是人們所熟悉的比例積分(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)是與靈敏度相關(guān)的增益因子。整數(shù)系數(shù)按照錯(cuò)誤出現(xiàn)的時(shí)間長短來調(diào)節(jié)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，PID算法的各個(gè)系數(shù)決定了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。
控制器隨后將ADC的輸出電壓表示轉(zhuǎn)換成維持期望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)行與模擬PWM一樣的驅(qū)動(dòng)信號產(chǎn)生功能。
注意模擬和數(shù)字控制方案管理開關(guān)晶體管的不同。模擬控制器在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)開關(guān)晶體管成ON狀態(tài)，并在電壓坡度達(dá)到預(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，模擬控制可以提供連續(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開關(guān)速率，使事情變得有些復(fù)雜。
例如，DPWM必須具有比ADC更高的精度。否則，ADC輸出的1-LSB變化就可能導(dǎo)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，避免循環(huán)也不是輕而易舉的。這是因?yàn)橐峁〥PWM更高的精度就意味著必須提高其脈沖速率(脈沖速率決定了在任一給定時(shí)間段能夠產(chǎn)生多少比特)。然而，DPWM脈沖速率限制了它對所有來自控制器的比特進(jìn)行壓縮的時(shí)間。Artesyn白皮書中的例子介紹了一個(gè)假設(shè)的具有1MHz開關(guān)速率和10位ADC的DPWM。計(jì)算顯示，調(diào)制器要求超過1 GHz的脈沖速率。
當(dāng)然，如此的高速度是不切實(shí)際的，因此數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)者必須找到另一種替代解決方案。一種方案是引入一些DPWM時(shí)鐘抖動(dòng)。穩(wěn)壓器輸出過濾器對饋入的任一脈沖串進(jìn)行平均，這使對每個(gè)mth輸出脈沖的寬度進(jìn)行相當(dāng)于1 LSB的調(diào)整成為可能。
這將脈沖串的平均值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。如果在控制器輸入端的1-LSB使輸出脈沖串平均變化10mV，這將使每四個(gè)脈沖縮短相應(yīng)于10 mV的時(shí)間，那么通過濾波器的平均輸出電壓將降低 10mV/4或2.5mV。
替代解決方法
盡管幾乎所有數(shù)字控制器采用ADC和程序存儲控制器，但這并不是唯一可能的解決方案。去年，Zilker Labs注意到，達(dá)到最新Pentium級處理器所要求的階躍響應(yīng)(每毫微秒數(shù)百安)，要求在控制器中采用相當(dāng)快同時(shí)對功率消耗量大的DSP。
作為一種較低功耗的替代方案，該公司推出了一款基于比較器(而不是ADC)和狀態(tài)機(jī)(而不是程序存儲解決方案)的控制器。
此外，前述簡單的降壓型或升壓型拓樸也不是實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)壓的唯一途徑。Vicor提出了一種完全不同的解決方案，它基于比前述簡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)基本元素。
最后，數(shù)字控制曾是一項(xiàng)突破性技術(shù)，但如今數(shù)字控制的諸多好處也已出現(xiàn)在模擬控制穩(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)定回路要求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，采用模擬PWM來穩(wěn)定電源通常需要采用經(jīng)驗(yàn)方法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實(shí)際電路板上，實(shí)驗(yàn)各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負(fù)載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應(yīng)。最近，事情已變得很簡單。因?yàn)楝F(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個(gè)值”的功能。
數(shù)字控制回路
開關(guān)電源數(shù)字控制的最好解釋是由Artesyn公司的Geof Potter撰寫的《開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制介紹》白皮書，它可在www.astecpower.com/whitepaper/dcdc/上找到。
該白皮書描述了電壓模式控制拓樸，但它也討論了電流模式。大多數(shù)電壓模式控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、實(shí)現(xiàn)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)行開關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(圖4)。
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