當(dāng)前位置:首頁(yè) > 嵌入式 > 嵌入式硬件


Don Tuite

數(shù)字電源分為數(shù)字電源控制和數(shù)字電源管理兩個(gè)部分?!皵?shù)字電源控制”是指利用數(shù)字反饋回路對(duì)電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)?!皵?shù)字電源管理”是指可以通過(guò)串行鏈路對(duì)電壓和電流限制等電源輸出特性進(jìn)行配置,它也意味著可以通過(guò)相同的鏈路將實(shí)時(shí)電壓、電流和操作溫度的測(cè)量值發(fā)送至外部系統(tǒng)控制器。

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)際開(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。還有一些甚至集成了開(kāi)關(guān)FET,如果它們提供合適的負(fù)荷的話(huà)。因此,數(shù)字還是模擬的問(wèn)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(jiàn)的PWM開(kāi)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(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(xiàn)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)換器缺少控制一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)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。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),首先考慮它在模擬域中如何實(shí)現(xiàn)。



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(hào)相比較的小誤差信號(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)改變比較器的門(mén)限值。反過(guò)來(lái),這將使輸出信號(hào)寬度發(fā)生變化。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。

電流模式控制的一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(kāi)關(guān)晶體管的峰值電流,并通過(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(hào)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)。

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(guò)1。相移包括了將控制信號(hào)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(duì)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(lái)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(wú)源器件的不同組合,并觀(guān)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(jiǎn)單。因?yàn)楝F(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號(hào)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

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(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)。

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煜さ谋壤e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(zhǎng)短來(lái)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(lái),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(hào)產(chǎn)生功能。

注意模擬和數(shù)字控制方案管理開(kāi)關(guān)晶體管的不同。模擬控制器在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)開(kāi)關(guān)晶體管成ON狀態(tài),并在電壓坡度達(dá)到預(yù)設(shè)的門(mén)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(kāi)關(guān)速率,使情況變得有些復(fù)雜。

例如,DPWM必須具有比ADC更高的精度。否則,ADC輸出的1LSB變化就可能導(dǎo)致DPWM使輸出電壓變化大于1LSB。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(chēng)之為“限制性循環(huán)”。



不過(guò),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(duì)所有來(lái)自控制器的比特進(jìn)行壓縮的時(shí)間。如果一個(gè)DPWM具有1MHz開(kāi)關(guān)速率和10位ADC,那么計(jì)算顯示,調(diào)制器要求超過(guò)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(guò)濾器對(duì)饋入的任一脈沖串進(jìn)行平均,這使對(duì)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1LSB使輸出脈沖串平均變化10 mV,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(guò)濾波器的平均輸出電壓將降低 10 mV/4,即2.5 mV。

當(dāng)系統(tǒng)具有一個(gè)以上的電壓軌時(shí),按照正確順序?qū)妷很墸⒃陔娫磫?dòng)和關(guān)閉時(shí)控制電壓的變化速率將變得十分重要。在具有多個(gè)電源軌的系統(tǒng)中,采用數(shù)字電源管理更易于對(duì)不同電壓軌的順序和時(shí)序進(jìn)行編程。

電源轉(zhuǎn)換器或控制器并沒(méi)必要同時(shí)具有數(shù)字電源控制和數(shù)字電源管理功能?,F(xiàn)在,一些DC/DC調(diào)節(jié)器采用模擬控制方式,但能提供增強(qiáng)型I2C總線(xiàn)上的可編程性能;另一些DC/DC調(diào)節(jié)器采用數(shù)字反饋,但通過(guò)將特定引腳直接接地或通過(guò)電阻接地,也可以設(shè)置操作特性。如今,大量的電源管理和一些電源控制功能是通過(guò)電源管理總線(xiàn)(PMBus)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。


本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀(guān)點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專(zhuān)欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶(hù)希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱(chēng),數(shù)字世界的話(huà)語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉