數(shù)字電源設(shè)計的挑戰(zhàn)和機會

在過去五年中，數(shù)字電源利用數(shù)字控制給傳統(tǒng)模擬領(lǐng)域帶來的許多益處而迅速增長。數(shù)字控制的日益采用得到了微控制器廠商的許多新產(chǎn)品的支持，這些新產(chǎn)品專門針對數(shù)字電源市場。

圖1：模擬控制的電源

在傳統(tǒng)的模擬電源中，使用由運算放大器和比較器與一系列精心選擇的外部電容器和電阻組成的控制IC來實現(xiàn)控制，以形成補償網(wǎng)絡(luò)。該補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計用于給電源提供期望的調(diào)節(jié)、瞬態(tài)負載性能和頻率或s域的穩(wěn)定性。補償網(wǎng)絡(luò)是固定的，并且經(jīng)常由于反饋環(huán)路中存在帶寬限制光耦合器而受損。如圖1所示。

圖2：數(shù)字控制的電源

數(shù)字電源是指取代傳統(tǒng)上用于開關(guān)電源的模擬控制IC，對電源進行調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的數(shù)字控制回路。在圖2所示的數(shù)字電源中，模擬控制IC及其相關(guān)的模擬補償網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被微控制器所取代。

微控制器用于關(guān)閉電源的反饋回路。在典型的數(shù)字控制電源中，微控制器上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊采樣輸出電壓或電流，該輸出電壓或電流與需求參考值進行比較，結(jié)果為誤差項。該誤差項被用作離散時間控制器的輸入。離散時間控制器在每一個可用的新ADC采樣時以精確、預(yù)先定義的間隔執(zhí)行。

正如S域中的模擬補償器一樣，離散時間控制器在時間或z域都具有頻率響應(yīng)。控制器系數(shù)決定電源的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性，并且必須解析地計算以穩(wěn)定電源。

微控制器在電源領(lǐng)域已經(jīng)使用多年，目的是使用相對簡單和低成本的微控制器來實現(xiàn)諸如串行接口和風(fēng)扇速度控制之類的基本功能。全數(shù)字控制以前在服務(wù)器和電信市場最為普遍，在工業(yè)和醫(yī)療市場的占有率滯后。

切換到數(shù)字控制的主要禁止因素是與數(shù)字功率相關(guān)聯(lián)的成本和復(fù)雜性。近年來，實現(xiàn)全數(shù)字控制所需的DSP功能的現(xiàn)代微控制器的成本急劇下降，但復(fù)雜性仍然是一個問題，源于需要混合域的方法來設(shè)計電源，工程師必須將他們的電源設(shè)計技巧和具有編寫高效代碼和穩(wěn)定離散時間控制回路的能力結(jié)合起來。

根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜性，為電源開發(fā)健壯且有效的固件可能需要大量的時間。各種安規(guī)標(biāo)準所需的驗證、測試和文件導(dǎo)致開發(fā)健壯可靠的數(shù)字電源需要大量資源。當(dāng)然，一旦進行了初始投資，數(shù)字電源的益處之一就是能夠在許多不同的產(chǎn)品中重用固件，在一個系列中具有不同輸出電壓的產(chǎn)品的固件的改變可以是改變控制器系數(shù)的簡單情況。

數(shù)字控制回路比模擬回路具有更多優(yōu)點。它對控制回路部件的環(huán)境、溫度、老化和公差不敏感。它允許系統(tǒng)實時監(jiān)控電源的性能，并根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)來調(diào)整性能。此外，先進的離散時間控制技術(shù)允許我們實現(xiàn)比模擬補償器更高的性能，在幾個開關(guān)周期內(nèi)從瞬態(tài)恢復(fù)過來，這是負載點(POL)轉(zhuǎn)換器市場特別感興趣的，該市場是早期數(shù)字電源使用者。

對高效率電源轉(zhuǎn)換器的不斷增長的需求是數(shù)字電源提供超出典型模擬控制方案能力的解決方案的關(guān)鍵領(lǐng)域。這可能涉及調(diào)整PSU的操作以達到最佳的零電壓或零電流開關(guān)-減少損失和提高效率。

圖3：典型控制回路持續(xù)時間與PWM開關(guān)周期

用于數(shù)字功率應(yīng)用的最新微控制器包含DSP功能，該功能允許數(shù)字控制環(huán)路在單個PWM開關(guān)周期的一小部分內(nèi)，每個開關(guān)周期內(nèi)執(zhí)行。圖3顯示了一個典型的數(shù)字電源的PWM開關(guān)周期。在這個簡單的例子中，每個開關(guān)周期輸出電壓一次。幾百毫微秒的ADC轉(zhuǎn)換時間對于設(shè)計用于數(shù)字電源應(yīng)用的微控制器來說是典型的。在ADC轉(zhuǎn)換之后，調(diào)用中斷服務(wù)例程來執(zhí)行離散時間控制器。這是一個時間緊迫的例行程序。

如圖3所示，這個例子中，MCU不花費執(zhí)行控制器的時間是備用帶寬。此備用帶寬可用于執(zhí)行特定于應(yīng)用程序的其他任務(wù)或功能。任何低優(yōu)先級任務(wù)都在慢速循環(huán)中運行，并且每當(dāng)出現(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)時都會被中斷，例如運行控制循環(huán)代碼的ADC中斷。

考慮到微控制器給設(shè)計帶來的靈活性，當(dāng)標(biāo)準產(chǎn)品可能不能滿足客戶每個方面需求時，數(shù)字電源非常適合于定制或修改標(biāo)準電源的應(yīng)用?？赡苡刑囟ǖ耐ㄐ乓?，如通過USB、I2C或ECTCAT控制電源。用戶可能要求調(diào)整輸出電壓或電流極限，或者要求實時監(jiān)控、電力軌道排序或輸出模塊之間的精確電流分配。傳統(tǒng)上需要硬件更改的應(yīng)用程序特定要求通常可以在固件中實現(xiàn)。當(dāng)然，用于數(shù)字電源的高性能微控制器將比它取代的模擬IC昂貴。然而，數(shù)字控制器提供了在MCU內(nèi)實現(xiàn)其他功能的機會，而不是使用離散組件。這可以導(dǎo)致減少元件數(shù)量和更緊湊的解決方案，特別是對于具有復(fù)雜信號要求或可以使用一個微控制器控制的多個電源軌的設(shè)計。結(jié)果可能是一個更具成本效益的整體解決方案。當(dāng)然，對于一些復(fù)雜的需求，數(shù)字化可能是唯一可行的解決方案。

XP Power具有利用標(biāo)準產(chǎn)品范圍的多樣性實現(xiàn)復(fù)雜電源解決方案的知識和能力。在電源的核心的MCU，應(yīng)用特定的電源解決方案的可能性是深遠的。考慮到數(shù)字電源提供的許多好處，我們肯定會看到數(shù)字電源在未來幾年里會不斷增加。

本文作者：XP Power公司 Dr. Michael Hallworth