利用數(shù)字控制技術(shù)優(yōu)化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高規(guī)格DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)達(dá)到性能頂峰，要求電源工程師重新考慮設(shè)計(jì)方法。事實(shí)上，采用人們熟知的模擬控制機(jī)制的轉(zhuǎn)換器如今在轉(zhuǎn)換效率和功率密度指標(biāo)方面已經(jīng)少有進(jìn)步，隨著設(shè)計(jì)人員更多地認(rèn)識(shí)到數(shù)字電源控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字電源控制技術(shù)正在迅速提升市場(chǎng)份額。在實(shí)際應(yīng)用中，任何數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器都會(huì)采用混合信號(hào)硅片工藝支持的模擬和數(shù)字組合電路。在本文中，“數(shù)字電源控制”指的是用數(shù)字電路而不是模擬機(jī)制實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部控制環(huán)路。

對(duì)于最簡單的降壓轉(zhuǎn)換器例子來說，這意味著用模數(shù)轉(zhuǎn)換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的誤差信號(hào)反饋放大器，并使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)代替電壓基準(zhǔn)、斜坡發(fā)生器和比較器控制驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)的脈寬調(diào)制器，見圖1。

圖1：數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換器采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)代替模擬控制環(huán)。

對(duì)于混合信號(hào)內(nèi)核而言，增加片上“數(shù)字電源管理”功能極具吸引力，這種功能包含了監(jiān)視和控制電路，可與外部邏輯通信以促進(jìn)電源管理機(jī)制。集成這種功能而額外增加的硅成本是可忽略的，但卻能極大地降低PCB占用面積要求，同時(shí)優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)核與其測(cè)量和控制子系統(tǒng)之間的耦合。

板級(jí)I/O系統(tǒng)選擇的是基于SMBus硬件的PMBus電源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它的集成也很容易和便宜?，F(xiàn)在有多家硅供應(yīng)商提供的芯片包含了構(gòu)建數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器必需的所有元件，并且外部元件數(shù)量極少。更少的元件有助于縮小數(shù)字轉(zhuǎn)換器體積、提高可靠性和降低成本——而且控制轉(zhuǎn)換器操作的數(shù)字值不會(huì)隨著時(shí)間或溫度發(fā)生漂移。

數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基本要求

對(duì)任何數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的基本要求是必須至少要有最優(yōu)秀的實(shí)用模擬解決方案的效率，并且不犧牲任何電氣性能——包括穩(wěn)壓精度、瞬態(tài)響應(yīng)或輸出噪聲電平。事實(shí)上所有電源轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載時(shí)都具有最低的效率，而且大多數(shù)模擬DC/DC轉(zhuǎn)換器在達(dá)到輸出最大功率的15－20%時(shí)才開始趨于高效工作。

一般來說，這種轉(zhuǎn)換器大約在最大負(fù)載的50－70%時(shí)取得最大效率，這正是它們的設(shè)計(jì)人員希望用戶使用的負(fù)載范圍。直到最近，這種特征工作范圍一直非常適合負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定的大多數(shù)系統(tǒng)，但今天越來越多的系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為只要有可能就關(guān)閉盡可能多的功能以節(jié)省能耗。

這種情況下要求更多的電源能夠在非常輕負(fù)載時(shí)就能高效工作，這時(shí)在可能根本不是很穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器輸入電壓方面可能出現(xiàn)回跳或次生效應(yīng)。如圖2中的一對(duì)典型的四分之一磚塊中間總線DC/DC轉(zhuǎn)換器所示，設(shè)計(jì)良好的數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以從滿負(fù)載的約10%開始就能提供比模擬轉(zhuǎn)換器相同或更高的效率，然后直到100%負(fù)載都能保持性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)不斷變化的輸入電壓提供出色的容差性能。

圖2：12V/33A電源在25℃時(shí)的典型效率與負(fù)載電流和輸入電壓的關(guān)系。上圖針對(duì)的是模擬PKM 43048 PI電源；下圖針對(duì)的是數(shù)字BMR453電源。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用于延伸和展平工作效率曲線的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是改變電源開關(guān)導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間。對(duì)于圖1所示的降壓轉(zhuǎn)換器例子，這種“直通”防止措施能夠確保兩個(gè)MOSFET管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，而同時(shí)導(dǎo)通幾乎肯定會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)管子互相損壞。

要想獲得最高效率，器件開關(guān)之間的過渡時(shí)間必須是零，但大多數(shù)轉(zhuǎn)換器使用固定的周期，這能保證轉(zhuǎn)換器在線路和負(fù)載范圍內(nèi)安全工作。改變這個(gè)周期以反映輸入線路狀態(tài)可以將轉(zhuǎn)換器的極限工作效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)。雖然有家硅供應(yīng)商已經(jīng)獲得了在模擬控制器芯片中完成這一任務(wù)的技術(shù)專利，但數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以更加容易和靈活地滿足這個(gè)要求。

任何數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器還必須提供有競爭力的功率密度——這個(gè)相對(duì)容易保證——同時(shí)要像模擬轉(zhuǎn)換器那樣容易使用。設(shè)計(jì)和應(yīng)用之間的差異因此變得非常顯著，而且對(duì)大多數(shù)工程師來說數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是這種技術(shù)所要求的學(xué)習(xí)曲線。模擬轉(zhuǎn)換器需要使用電阻和電容設(shè)置極點(diǎn)和零點(diǎn)，以便平衡控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性之間的關(guān)系——有時(shí)還要設(shè)置死區(qū)時(shí)間周期——但數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用常數(shù)組達(dá)到這些目的。

假如有正確的控制算法，數(shù)字轉(zhuǎn)換器就可以根據(jù)線路和負(fù)載條件實(shí)時(shí)地交換PID(比例－積分－微分)常數(shù)的不同值，從而使其性能一直勝過模擬轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。盡管硅供應(yīng)商付出了很大的努力來完善開發(fā)環(huán)境，幫助簡化數(shù)字轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路的調(diào)整，但開發(fā)魯棒性的固件仍需很大的工作量。

因此，許多工程師更愿意確定預(yù)先經(jīng)過認(rèn)證的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器模塊，從而實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的無縫過渡。在開發(fā)3E系列數(shù)字電源產(chǎn)品的首款器件過程中，愛立信證實(shí)可以將傳統(tǒng)松散調(diào)節(jié)的中間總線轉(zhuǎn)換器的高功率提高約3%，四分之一磚轉(zhuǎn)換器最大可以輸出396W的功率。

與此同時(shí)，這種數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以提供相同尺寸下僅輸出204W的滿幅調(diào)整模擬DC/DC轉(zhuǎn)換器的嚴(yán)格±2%電壓調(diào)整率。轉(zhuǎn)換效率從最大輸出功率的約10%開始就超過96%。雖然數(shù)字轉(zhuǎn)換器集成有PMBus接口，但你可以忽略它，像任何模擬器件一樣輕松地使用這種數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

同樣的好處可不同程度地應(yīng)用于目前市場(chǎng)中出現(xiàn)的越來越廣泛的數(shù)字電源產(chǎn)品，而且結(jié)果是即使擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)人員也越來越多的接受模塊化解決方案。

數(shù)字可配置能力

除了提高以前主導(dǎo)電源設(shè)計(jì)人員思想的電氣性能和功率密度外，數(shù)字電源還有許多其它優(yōu)勢(shì)。將電源管理硬件和PMBus接口與轉(zhuǎn)換器核心器件集成在一起可以提供大量好處，這些好處貫穿于最終用戶應(yīng)用的整個(gè)生命期。

重要的是，現(xiàn)在可以在多種場(chǎng)合配置數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括最初制造之時(shí)、在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用的開發(fā)階段、在分銷商的倉庫里、設(shè)備制造時(shí)以及在最終用戶設(shè)備中工作時(shí)。這種高度靈活性首次將可編程邏輯模型延伸至電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)。

例如，愛立信3E系列數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的每位成員都能提供一組可編程參數(shù)，包括輸出電壓選擇；針對(duì)多軌負(fù)載實(shí)現(xiàn)上電順序的打開/關(guān)閉延時(shí)時(shí)間；提供浪涌電流保護(hù)的壓擺率控制；用于系統(tǒng)測(cè)試的電壓余量；針對(duì)過流、過溫、欠壓和過壓時(shí)產(chǎn)生告警和故障狀態(tài)的多種閾值。甚至還可以調(diào)整3E數(shù)字轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路的響應(yīng)，以便優(yōu)化在特定負(fù)載和大輸出電容條件下的性能。圖3顯示了通過精確調(diào)整常數(shù)設(shè)置3E負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器控制環(huán)路響應(yīng)以優(yōu)化給定環(huán)境下瞬態(tài)響應(yīng)性能的結(jié)果。

圖3：重新編程數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器中的控制環(huán)路常數(shù)可以優(yōu)化給定工作環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能

設(shè)計(jì)人員可以在3E產(chǎn)品生命期內(nèi)的任何時(shí)間點(diǎn)使用轉(zhuǎn)換器的PMBus接口編程其中任何參數(shù)。支持這種操作的PMBus協(xié)議包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)命令集，這個(gè)命令集還可以經(jīng)過擴(kuò)展適應(yīng)定制操作。重要的是，PMBus強(qiáng)制使用一種叫做“設(shè)置－遺忘”的模式，允許設(shè)計(jì)人員一旦完成兼容器件的編程，那么在下次重新編程之前器件都能保持參數(shù)設(shè)置不變。

這個(gè)功能開啟了包括合理化庫存資產(chǎn)的各種可能，因?yàn)榭梢杂眠\(yùn)行在獨(dú)立模式的單個(gè)可編程數(shù)字轉(zhuǎn)換器代替多個(gè)固定電壓的模擬轉(zhuǎn)換器——也就是說，不需要目標(biāo)板上有PMBus——進(jìn)而開發(fā)出完全支持PMBus的系統(tǒng)，并有助于通過標(biāo)記可能出故障的任何告警和錯(cuò)誤狀態(tài)而確保最大的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

另外，一個(gè)完整支持PMBus的系統(tǒng)可以通過智能管理電源軌電壓優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載功率范圍內(nèi)的效率而盡可能減小能耗。例如，在輕負(fù)載條件下重新編程給多個(gè)負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器供電的中間總線電壓(比如從12VDC到9VDC)可以降低這些轉(zhuǎn)換器的負(fù)擔(dān)，并最大限度地減小損耗。這種動(dòng)態(tài)總線電壓適應(yīng)技術(shù)非常有名，特別適合很大部分時(shí)間內(nèi)負(fù)載條件變化很寬的系統(tǒng)，但用模擬轉(zhuǎn)換器技術(shù)實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性。

PMBus支持快速創(chuàng)建原型

實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換提供的靈活性的關(guān)鍵是盡可能讓設(shè)計(jì)人員容易使用。圖4顯示了基于傳統(tǒng)背板的系統(tǒng)中典型電路板的結(jié)構(gòu)，其中包括了支持電源管理功能的一條通信鏈路。

圖4：PMBus使得監(jiān)視和控制兼容性電源系統(tǒng)器件(如3E系列)變得非常容易

在這個(gè)案例中，可能包含本地智能的板載電源管理邏輯將電路板的PMBus兼容器件與系統(tǒng)主機(jī)鏈接在一起，而這個(gè)主機(jī)——取決于最終用戶應(yīng)用的復(fù)雜程度——可以是一臺(tái)運(yùn)行應(yīng)用軟件的PC，或具有LAN/WAN鏈路的嵌入式控制器。

因?yàn)镻MBus的物理層依賴于SMBus——電氣上非常類似I2C——PMBus一般限用于電路板領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員可以自由地實(shí)現(xiàn)他們所選的背板連接。電路板電源控制邏輯要求通常不是很高，可以使用低成本的微控制器甚至FPGA中的一些空閑門：

基于開發(fā)的目的，系統(tǒng)主機(jī)和用戶接口可以由PC組成，同時(shí)PC上運(yùn)行專用的應(yīng)用開發(fā)軟件，并通過USB-to-PMBus適配器連接到原型板。這種方法提供了一種特別快速的參數(shù)(如輸出電壓設(shè)置、加電順序例程、電壓余量)試驗(yàn)和故障處理方法，被測(cè)電路板上不需要做任何硬件改動(dòng)。當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)置參數(shù)感到滿意時(shí)，應(yīng)用軟件可以為每個(gè)可編程電源轉(zhuǎn)換器保存一個(gè)配置文件。圖5顯示了3E評(píng)估套件的軟件在器件配置屏幕中呈現(xiàn)的一些選項(xiàng)。

圖5：3E評(píng)估套件的圖形用戶界面軟件可以極大地簡化器件配置。

未來規(guī)劃

事實(shí)上系統(tǒng)的電源要求在特定系列設(shè)備的生命期內(nèi)通常會(huì)發(fā)生演進(jìn)。想要做到某種程度上不會(huì)過時(shí)的設(shè)計(jì)人員可以充分利用能夠提供可擴(kuò)展功能的電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)自己的愿望。在通孔電鍍和表面安裝組件之間通常要做出一個(gè)合理的選擇。除了滿足這些需求外，3E系列的機(jī)械設(shè)計(jì)還可以減輕相對(duì)較大的元件在使用拾放設(shè)備時(shí)可能產(chǎn)生的問題。該系列產(chǎn)品目前包含八分之一和四分之一磚中間總線轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器提供隔離型輸出，功率額定值最高為240W和396W；還包含20A和40A的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器。在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)有更多的器件進(jìn)一步擴(kuò)大負(fù)載點(diǎn)范圍，以滿足電流值低至12A的要求。