數(shù)字控制在電源應用中的特性和優(yōu)勢

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

　　本文強調(diào)當前是電源應用采用數(shù)字技術、實現(xiàn)數(shù)字電源的最佳時機。Microchip 提供的AC-DC 參考設計就是展示數(shù)字控制技術優(yōu)點的極佳實例。

　　本問通過在以下幾個方面將數(shù)字電源與模擬電源進行定量比較以指出數(shù)字電源的優(yōu)勢所在：

　　比較模擬電源與數(shù)字電源的物料成本

　　控制先進拓撲結構的能力和數(shù)字控制的靈活性

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

　　圖1 為兩級模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。

圖 1: 兩級模擬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：半導體開關、電感、電容和功率變壓器

　　驅(qū)動電路：柵極驅(qū)動以及支持電路

　　反饋電路：傳感器、放大器和電阻網(wǎng)絡

　　控制器：每個功率級專用控制器

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

　　為便于比較，考慮選擇一個兩級式電源。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。對于數(shù)字控制電源，專用模擬控制器和后臺管理電路可合并采用一片dsPIC®DSC 來實現(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，在進行對比時所有支持電路也需包括在內(nèi)。圖3 所示為每個模擬級中的支持電路，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 中用箭頭標出）。

圖 3: 模擬級電路

圖 4: 數(shù)字級電路

　　除了主要的組件，還需將支持電路成本、布線復雜程度、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行了比較，著重說明了前面所述的差別。比較中所用到的價位是直接從廠家的網(wǎng)站上獲得的。

表 1： 300W 模擬與數(shù)字電源物料價格比較

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

　　有些人可能會認為數(shù)字電源需要使用專用的MOSFET柵極驅(qū)動器，而模擬解決方案則可提供片上柵極驅(qū)動器。不過，這一點僅適用于低功率模擬設計，對于大多數(shù)高功率模擬設計來說，仍然需要使用外部柵極驅(qū)動器。

　　無論在PFC 級中使用或者未使用外部MOSFET 柵極驅(qū)動器，表1 中列出了不同模擬電源的所有BOM 成本。

　　顯而易見，數(shù)字電源在總BOM成本方面具有顯著優(yōu)勢。

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

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

　　高級特性

　　效率優(yōu)化

　　對于任何電源設計人員，兩個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)勢在之前的章節(jié)中已經(jīng)進行了分析，我們現(xiàn)在將針對數(shù)字電源具有更高效率這一優(yōu)點進行探討。

　　任何電源設計都是按照其可能的最大效率來實現(xiàn)的。近年來，隨著半導體技術的發(fā)展及新拓撲結構的出現(xiàn)，電源效率達到了更高的水平。之前已經(jīng)提到，在某些運行條件下（半載或者較高的線電壓情況時），效率的確或多或少實現(xiàn)了最大化。

　　數(shù)字電源增強了系統(tǒng)的通用性，可對多個運行點的效率進行優(yōu)化。

　　對于PFC升壓轉(zhuǎn)換器，輕載時可通過降低轉(zhuǎn)換器開關頻率來減小開關損耗。由于是輕載，磁場仍可以應對較低的開關頻率。如果實現(xiàn)的是一個交錯式PFC 轉(zhuǎn)換器，輕載時可以通過關斷其中一相來進一步減小功耗。

　　類似地，對于一個相移式全橋變換器，可以在輕載時關斷同步MOSFET,而使用內(nèi)部集成續(xù)流二極管，這樣可消除額外的開關損耗。

　　另一個實例是降壓轉(zhuǎn)換器應用。對于高電流輸出的場合，同步降壓轉(zhuǎn)換器通常是首選。但是，使用同步MOSFET會在輕載時引起環(huán)流，這反過來會引起更高的損耗。因此，當轉(zhuǎn)換器運行在不連續(xù)電流模式時，降壓轉(zhuǎn)換器的同步/ 續(xù)流MOSFET 就會被禁止。

　　上述介紹的技術可通過選擇先進的拓撲結構（如諧振和準諧振轉(zhuǎn)換器）來提高效率。數(shù)字控制完全支持這些先進的拓撲結構，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。總之，數(shù)字控制提供很多選擇，可在整個運行范圍內(nèi)對電源效率進行優(yōu)化。[!--empirenews.page--]電源管理

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

圖 5: 不同電源類型在電源管理方面的差異

　　這個后臺單片機將本地系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送到主控制器或者數(shù)據(jù)記錄器中。但這個單片機如何獲取數(shù)據(jù)呢？必須用檢測電路收集所需數(shù)據(jù)，并將其進行發(fā)送。在某些情況下，遠程系統(tǒng)也可能對本地電源轉(zhuǎn)換器發(fā)出指令。這個配置要求增加后臺單片機和功率轉(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，因為所有系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)由DSC 測量出來。這些參數(shù)存儲在DSC 的存儲器中，并且通過片上通信外設發(fā)送到遠程系統(tǒng)，例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對該系統(tǒng)操作的修改都無需額外的外部硬件而可由簡單的軟件來完成。

　　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，對于一個兩級AC-DC 電源，第一級將對其閉環(huán)控制運行的輸出電壓進行測量。由于這一輸出電壓也是第二級的輸入，因此該數(shù)據(jù)也被第二級用作前饋控制或者輸入過壓/ 欠壓保護。

　　單獨一個DSC消除了相同參數(shù)的重復測量，并可從內(nèi)部提供不同控制或保護特性的所有選項。DSC也有助于系統(tǒng)對故障狀態(tài)作出比分立模擬控制器更快速、更高效的反應。例如，在一個兩級AC-DC 模擬電源中，如果故障出現(xiàn)在下級轉(zhuǎn)換器中，除非這個故障狀況已經(jīng)被傳送給PFC 控制器，否則前端PFC 升壓轉(zhuǎn)換器將無法識別這個故障。而數(shù)字控制器能檢測到整個系統(tǒng)的故障狀態(tài)，無論故障發(fā)生在何處，幾乎都能在瞬間作出反應。

　　軟啟動以及模擬和數(shù)字電源的時序

　　當電源剛啟動時，各種存儲元件，如電容和電感，都處于零儲能狀態(tài)。在這樣的狀況下，電源突然升壓會引起系統(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來確保系統(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)置軟啟動功能。

　　模擬控制器在選擇軟啟動持續(xù)時間時都只提供有限的靈活性，且需額外電路來實現(xiàn)啟動延時。

　　在多級電源中，由于一些輸出取決于其他輸出，因此有必要通過預定義方式對輸出順序進行控制。這可由單獨的時序芯片完成，或者使用后臺單片機以及輔助電路來實現(xiàn)。

　　由于所有時序控制和軟啟動子程序都可作為電源控制軟件的一部分來完成，因此數(shù)字電源不需要外加硬件。電源的每一級都可實現(xiàn)一個軟啟動子程序，每個都具有不同的持續(xù)時間和延時。典型的軟啟動子程序如例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)用軟啟動子程序。首先調(diào)用啟動延時，隨后輸出電壓參考將被設定為實際測量的輸出電壓。參考值一直以固定速率上升，直到其達到期望值為止。此時，軟啟動結束，系統(tǒng)正常運行開始。數(shù)字控制器可靈活使用軟啟動子程序。相同的子程序在不同時間階段可通過不同參數(shù)進行調(diào)用。例如，如果系統(tǒng)要在故障發(fā)生后重啟，啟動延時和軟啟動持續(xù)時間可修改為不同的值。

　　時序控制可在不外加任何電路的情況下，通過一些靈活的配置加以實現(xiàn)。圖6 中顯示了一些時序機制原理圖。

　　如果一個轉(zhuǎn)換器取決于另一級的輸出，則軟件可設置標志來指示轉(zhuǎn)換器何時完全啟動，電壓已經(jīng)為下一級的上升作好準備。

　如圖6 所示，數(shù)字電源能根據(jù)實際應用需求以多種方式輕松實現(xiàn)時序控制。數(shù)字電源在選擇軟啟動和時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雜的電路。

圖 6: 時序控制機制