數(shù)字電源控制和管理以及PMBus編程

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。