數(shù)字控制在電源應(yīng)用中的特性和優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源（Switch Mode Power Supply,SMPS）控制通常使用純模擬技術(shù)。低成本和高性能數(shù)字信號(hào)控制器（Digital Signal Controller, DSC）的出現(xiàn)開(kāi)啟了開(kāi)關(guān)電源控制的全新境界，并且標(biāo)志著電源產(chǎn)業(yè)正朝著數(shù)字革命的方向發(fā)展。

　　本文強(qiáng)調(diào)當(dāng)前是電源應(yīng)用采用數(shù)字技術(shù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源的最佳時(shí)機(jī)。Microchip 提供的AC-DC 參考設(shè)計(jì)就是展示數(shù)字控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的極佳實(shí)例。

　　本問(wèn)通過(guò)在以下幾個(gè)方面將數(shù)字電源與模擬電源進(jìn)行定量比較以指出數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)所在：

　　比較模擬電源與數(shù)字電源的物料成本

　　控制先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力和數(shù)字控制的靈活性

　　在同樣成本條件下，數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)的附加價(jià)值數(shù)字電源節(jié)省成本。

　　圖1 為兩級(jí)模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。

圖 1: 兩級(jí)模擬AC-DC 電源

　　圖2 顯示了數(shù)字AC-DC 電源的高階框圖。

圖 2: 數(shù)字AC-DC 電源

　　模擬電源的主要組成包括：

　　功率鏈：半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、電感、電容和功率變壓器

　　驅(qū)動(dòng)電路：柵極驅(qū)動(dòng)以及支持電路

　　反饋電路：傳感器、放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)

　　控制器：每個(gè)功率級(jí)專用控制器

　　后臺(tái)管理電路：用于順序控制、監(jiān)控和通信的專用單片機(jī)以及支持電路

　　為便于比較，考慮選擇一個(gè)兩級(jí)式電源。前端轉(zhuǎn)換器采用升壓功率因數(shù)校正（Power Factor Correction,PFC）電路，而第二級(jí)是DC-DC 相移式全橋轉(zhuǎn)換器。

　　模擬電源與數(shù)字電源的功率鏈部分、驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路保持一致。圖2 分別展示了上述例子中所描述的數(shù)字電源。對(duì)于數(shù)字控制電源，專用模擬控制器和后臺(tái)管理電路可合并采用一片dsPIC®DSC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

圖1和圖2僅從較高層次展示了兩者的主要差別；然而，在進(jìn)行對(duì)比時(shí)所有支持電路也需包括在內(nèi)。圖3 所示為每個(gè)模擬級(jí)中的支持電路，而圖4 則為數(shù)字系統(tǒng)中的支持電路。注意模擬控制器所需要的額外連接（在圖3 和圖4 中用箭頭標(biāo)出）。

圖 3: 模擬級(jí)電路

圖 4: 數(shù)字級(jí)電路

　　除了主要的組件，還需將支持電路成本、布線復(fù)雜程度、以及模擬數(shù)字電源PCB 板尺寸這些因素考慮在內(nèi)。

　　表1 將300W 模擬電源與數(shù)字電源的物料清單進(jìn)行了比較，著重說(shuō)明了前面所述的差別。比較中所用到的價(jià)位是直接從廠家的網(wǎng)站上獲得的。

表 1： 300W 模擬與數(shù)字電源物料價(jià)格比較

　　表1 中所列出的物料清單比較清楚地說(shuō)明了數(shù)字電源與模擬電源方案相比所節(jié)約的成本。

　　有些人可能會(huì)認(rèn)為數(shù)字電源需要使用專用的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，而模擬解決方案則可提供片上柵極驅(qū)動(dòng)器。不過(guò)，這一點(diǎn)僅適用于低功率模擬設(shè)計(jì)，對(duì)于大多數(shù)高功率模擬設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，仍然需要使用外部柵極驅(qū)動(dòng)器。

　　無(wú)論在PFC 級(jí)中使用或者未使用外部MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，表1 中列出了不同模擬電源的所有BOM 成本。

　　顯而易見(jiàn)，數(shù)字電源在總BOM成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

　　數(shù)字電源還有許多其他潛在的低成本優(yōu)勢(shì)。例如，采用數(shù)字化控制方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是減少元件數(shù)量。這可以使布線更簡(jiǎn)單，PCB 板的尺寸更小，進(jìn)而減少了PCB板的加工和組裝成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

　　這些額外的成本節(jié)省更強(qiáng)調(diào)了選擇電源數(shù)字化控制方案的好處。

　　高級(jí)特性

　　效率優(yōu)化

　　對(duì)于任何電源設(shè)計(jì)人員，兩個(gè)最重要的考量方面就是總成本和系統(tǒng)性能。與模擬電源相比，數(shù)字電源的成本優(yōu)勢(shì)在之前的章節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行了分析，我們現(xiàn)在將針對(duì)數(shù)字電源具有更高效率這一優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行探討。

　　任何電源設(shè)計(jì)都是按照其可能的最大效率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，電源效率達(dá)到了更高的水平。之前已經(jīng)提到，在某些運(yùn)行條件下（半載或者較高的線電壓情況時(shí)），效率的確或多或少實(shí)現(xiàn)了最大化。

　　數(shù)字電源增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性，可對(duì)多個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的效率進(jìn)行優(yōu)化。

　　對(duì)于PFC升壓轉(zhuǎn)換器，輕載時(shí)可通過(guò)降低轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗。由于是輕載，磁場(chǎng)仍可以應(yīng)對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率。如果實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)交錯(cuò)式PFC 轉(zhuǎn)換器，輕載時(shí)可以通過(guò)關(guān)斷其中一相來(lái)進(jìn)一步減小功耗。

　　類似地，對(duì)于一個(gè)相移式全橋變換器，可以在輕載時(shí)關(guān)斷同步MOSFET,而使用內(nèi)部集成續(xù)流二極管，這樣可消除額外的開(kāi)關(guān)損耗。

　　另一個(gè)實(shí)例是降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。對(duì)于高電流輸出的場(chǎng)合，同步降壓轉(zhuǎn)換器通常是首選。但是，使用同步MOSFET會(huì)在輕載時(shí)引起環(huán)流，這反過(guò)來(lái)會(huì)引起更高的損耗。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在不連續(xù)電流模式時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器的同步/ 續(xù)流MOSFET 就會(huì)被禁止。

　　上述介紹的技術(shù)可通過(guò)選擇先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如諧振和準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器）來(lái)提高效率。數(shù)字控制完全支持這些先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括相移全橋和LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，從而獲得高效率和高功率密度?？傊瑪?shù)字控制提供很多選擇，可在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)電源效率進(jìn)行優(yōu)化。[!--empirenews.page--]電源管理

　　在電源管理領(lǐng)域中，與模擬電源相比，數(shù)字電源提供了前所未有的優(yōu)勢(shì)。在一個(gè)典型模擬電源中，通常使用圖5 中所述的后臺(tái)單片機(jī)來(lái)完成其電源管理。

圖 5: 不同電源類型在電源管理方面的差異

　　這個(gè)后臺(tái)單片機(jī)將本地系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送到主控制器或者數(shù)據(jù)記錄器中。但這個(gè)單片機(jī)如何獲取數(shù)據(jù)呢？必須用檢測(cè)電路收集所需數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行發(fā)送。在某些情況下，遠(yuǎn)程系統(tǒng)也可能對(duì)本地電源轉(zhuǎn)換器發(fā)出指令。這個(gè)配置要求增加后臺(tái)單片機(jī)和功率轉(zhuǎn)換電路之間的硬件接口，從而增加了系統(tǒng)的成本。

　　相反地，數(shù)字電源不需要額外電路，因?yàn)樗邢到y(tǒng)參數(shù)已經(jīng)由DSC 測(cè)量出來(lái)。這些參數(shù)存儲(chǔ)在DSC 的存儲(chǔ)器中，并且通過(guò)片上通信外設(shè)發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)，例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對(duì)該系統(tǒng)操作的修改都無(wú)需額外的外部硬件而可由簡(jiǎn)單的軟件來(lái)完成。

　　數(shù)字電源消除了冗余電路從而減少了系統(tǒng)總成本。例如，對(duì)于一個(gè)兩級(jí)AC-DC 電源，第一級(jí)將對(duì)其閉環(huán)控制運(yùn)行的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量。由于這一輸出電壓也是第二級(jí)的輸入，因此該數(shù)據(jù)也被第二級(jí)用作前饋控制或者輸入過(guò)壓/ 欠壓保護(hù)。

　　單獨(dú)一個(gè)DSC消除了相同參數(shù)的重復(fù)測(cè)量，并可從內(nèi)部提供不同控制或保護(hù)特性的所有選項(xiàng)。DSC也有助于系統(tǒng)對(duì)故障狀態(tài)作出比分立模擬控制器更快速、更高效的反應(yīng)。例如，在一個(gè)兩級(jí)AC-DC 模擬電源中，如果故障出現(xiàn)在下級(jí)轉(zhuǎn)換器中，除非這個(gè)故障狀況已經(jīng)被傳送給PFC 控制器，否則前端PFC 升壓轉(zhuǎn)換器將無(wú)法識(shí)別這個(gè)故障。而數(shù)字控制器能檢測(cè)到整個(gè)系統(tǒng)的故障狀態(tài)，無(wú)論故障發(fā)生在何處，幾乎都能在瞬間作出反應(yīng)。

　　軟啟動(dòng)以及模擬和數(shù)字電源的時(shí)序

　　當(dāng)電源剛啟動(dòng)時(shí)，各種存儲(chǔ)元件，如電容和電感，都處于零儲(chǔ)能狀態(tài)。在這樣的狀況下，電源突然升壓會(huì)引起系統(tǒng)很大的浪涌電壓和浪涌電流。因此，電源的所有階段都必須使用軟啟動(dòng)來(lái)確保系統(tǒng)元件避免受到不必要的壓力。

　　許多（并非全部）模擬控制器都帶有內(nèi)置軟啟動(dòng)功能。

　　模擬控制器在選擇軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間時(shí)都只提供有限的靈活性，且需額外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)延時(shí)。

　　在多級(jí)電源中，由于一些輸出取決于其他輸出，因此有必要通過(guò)預(yù)定義方式對(duì)輸出順序進(jìn)行控制。這可由單獨(dú)的時(shí)序芯片完成，或者使用后臺(tái)單片機(jī)以及輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　由于所有時(shí)序控制和軟啟動(dòng)子程序都可作為電源控制軟件的一部分來(lái)完成，因此數(shù)字電源不需要外加硬件。電源的每一級(jí)都可實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟啟動(dòng)子程序，每個(gè)都具有不同的持續(xù)時(shí)間和延時(shí)。典型的軟啟動(dòng)子程序如例1 中的C 代碼片段所示。

　　void PFCSoftStartRoutine（）

　　{

　　Delay_ms（STARTUP_DELAY）

　　pfcVoltagePID.controlReference = pfcInitialOutputVoltage;

　　while （pfcVoltagePID.controlReference <= PFCVOLTAGE_REFERENCE）

　　{

　　Delay_ms（SOFTSTART_INCREMENT_DELAY）；

　　pfcVoltagePID.controlReference += PFC_SOFTSTART_INCREMENT;

　　}

　　pfcVoltagePID.controlReference = PFCVOLTAGE_REFERENCE;

　　}

　　在例1 中，dsPIC DSC 初始化之后就立刻調(diào)用軟啟動(dòng)子程序。首先調(diào)用啟動(dòng)延時(shí)，隨后輸出電壓參考將被設(shè)定為實(shí)際測(cè)量的輸出電壓。參考值一直以固定速率上升，直到其達(dá)到期望值為止。此時(shí)，軟啟動(dòng)結(jié)束，系統(tǒng)正常運(yùn)行開(kāi)始。數(shù)字控制器可靈活使用軟啟動(dòng)子程序。相同的子程序在不同時(shí)間階段可通過(guò)不同參數(shù)進(jìn)行調(diào)用。例如，如果系統(tǒng)要在故障發(fā)生后重啟，啟動(dòng)延時(shí)和軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間可修改為不同的值。

　　時(shí)序控制可在不外加任何電路的情況下，通過(guò)一些靈活的配置加以實(shí)現(xiàn)。圖6 中顯示了一些時(shí)序機(jī)制原理圖。

　　如果一個(gè)轉(zhuǎn)換器取決于另一級(jí)的輸出，則軟件可設(shè)置標(biāo)志來(lái)指示轉(zhuǎn)換器何時(shí)完全啟動(dòng)，電壓已經(jīng)為下一級(jí)的上升作好準(zhǔn)備。

　如圖6 所示，數(shù)字電源能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求以多種方式輕松實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制。數(shù)字電源在選擇軟啟動(dòng)和時(shí)序控制方案上具有很大的靈活性，不需要增加專用芯片或者復(fù)雜的電路。

圖 6: 時(shí)序控制機(jī)制