实现可靠的高性能数字电源

引言

诸如AC至DC和DC至DC SMPS等传统电源产品均采用了一种模拟控制回路来对PWM模块、集成电路(开关电源)和功率器件进行基本控制，并在这一基础上添加了由单片机执行的数字信号控制和通信功能。

但是，在数字电源中，模拟控制回路被数字控制回路所取代，并且PWM模块通常集成在执行高级控制和通信的同一颗单片机中。

为了更好地理解数字电源的架构选择和关键性能参数，最好先搞清楚使用数字回路的好处。通过采用数字回路控制来实现电源转换，可使开发人员的设计和业务大大受益。通过可再编程软件执行电源转换控制的功能以及DSC(数字信号控制器)解决方案的性能和功能正是这些益处产生的原因。以下罗列了使用数字回路的好处：

增加了功率密度
通过减少元件数量和缩小元件尺寸来缩小系统尺寸
加快了上市时间，简化了生产过程
使用更少的元件实现功能丰富的设计
由DSC软件执行功率因数校正
降低因元件容差/参数漂移而引起的设计复杂度
利用软件以更少的硬件平台支持各种各样的最终产品
消除了生产线调整—无元件容差问题
允许下生产线后进行配置(负载限制和通信协议等)
提高了自测功能，简化和加快了产品测试
新的高性价比特性
适应变化的负载(容性、感性、阻性和电流需求)
更好的瞬态响应规范 —不仅限于线性技术
管理电压的变化，避免元件参数超出规范限定
增加了可靠性
限制电源的工作参数不会超出规范限定
元件数量的减少有助于可靠性的提高
成本较低的冗余选项
保护知识产权
由存储在受保护闪存中的软件实现关键的创新IP。

数字回路结构

许多不同的电源转换拓扑结构均可通过使用现代DSC技术的数字回路控制实现。图1描绘了一个已大大简化的控制电源转换的数字回路结构示例。

图 1 数字回路结构示例图

虚线框内的所有组件均包含在DSC内。要实现数字回路，首先必须使用ADC对模拟信号进行转换。本例中，运行在DSC中的软件对采样进行处理以执行控制电源所必需的电压和电流控制回路。这些回路的执行结果随后被用来控制片上数字PWM模块，由该模块直接控制功率器件。目前基本的数字控制回路功能通常是由运行在DSC中的软件实现的，软件执行的是定点算术运算。DSC的内部架构集单片机和数字信号处理器(DSP)的功能于一身。DSC中的DSP部分执行基本的算术运算以实现数字电源转换的控制算法。例如，某些专用于数字电源转换的DSC内部具有16位的定点DSP引擎。

我们首先要考虑的是对实现可靠而经济有效的转换器至关重要的实际问题。

要达到可靠、高效且功率密度大的目标，用于数字电源转换的DSC自身必须能提供实现转换所必需的绝大多数组件。这一点很重要，因为如果数字电源设计方案需要许多外部支持芯片的话，这三个目标将会受到影响。

图2是配备有实现可靠的高性能数字电源转换所必需的组件的DSC示例的基本框图。有助于减少元件数量和增加电源可靠性的特定外设和功能有：

1. 内部数字PWM。用于数字电源转换的DSC应具有一个专为驱动电源转换电桥而设计的高速数字PWM。

2. 内部ADC。数字电源转换需要DSC带有一个具有特殊触发和采样/保持功能的高性能ADC。

3. 内部模拟比较器。片内模拟比较器有助于实现特定的高速控制算法，如限流算法。比较器应在内部与数字PWM模块相连并配备有可编程内部参考电压模块。

4. 内部电源管理。DSC内部的电源管理子系统提供欠压复位和上电复位功能，以及允许DSC实现单电源供电的内部电压。

5. 内部高精度RC振荡器。该高精度RC振荡器和内部锁相环(PLL)电路提供驱动处理器和高速外设所需的所有时钟信号。

6. 内部通信外设。器件应具有与系统中其他部分通信所必需的通信外设。

7. 内部闪存和RAM。器件必须包含运行软件所需的内部存储器。一般来说，具备闪存而不是ROM很重要，因为闪存可存储专为各种最终产品而编写的数字电源转换软件，使软件具有充分的灵活性。

8. 小尺寸。DC至DC的应用对空间有一定的限制，因此DSC必须以小封装形式提供。

9. 扩展级温度。对于许多高功率密度应用，电源的工作温度较高，这就要求DSC可承受更大的温度范围。

在研究数字电源转换设计时，设计人员还必须考虑为控制电路和DSC本身供电的辅助电源。图2中的DSC支持单输入电压并且具备必需的电源管理功能，从而简化了辅助电源电路，提高了可靠性。

在诸如AC至DC转换器的某些应用中，器件可执行AC至DC转换控制以及诸如功率因数校正(PFC)等功能。支持增加诸如PFC等功能的数字PWM功能模块是PWM互补输出对的独立时基。通过使用“备用”PWM信号和运行在DSC上的软件即可实现上述功能，无需外部PFC芯片，从而进一步增加了电源的可靠性。

实现数字回路

典型拓扑结构的数字控制回路示例将说明DSC或其他拓扑结构的选择会对设计产生怎样的影响。图3显示了一个同步降压转换器。这种结构之所以称为同步降压转换器是因为晶体管Q2的开关与主开关Q1同步。同步降压转换器的设计理念是将MOSFET用作与标准整流器相比具有极低正向压降的整流器。当二极管的电压下降时，降压转换器的整体效率将会提高。同步整流器(MOSFET Q2)还需要一个与主PWM信号互补的PWM信号。Q2会在Q1关断时导通，反之亦然。这种PWM形式被称为“互补的PWM”模式。

图3 同步降压转换器

图4描绘了一个SMPS控制回路示例。最需要注意的是图中的每个模块都有相关的延时。采样/保持电路通常每2到10微秒采样一次，且ADC需要约500纳秒将模拟反馈信号转换为数字值。

图4 SMPS控制系统示例

比例-积分-微分(PID)控制器是运行在DSC上的一个程序，其计算延时约为1至2微秒。该控制器的输出被转换为一个PWM信号，由该信号驱动开关电路。若在设定新的占空比后，PWM发生器不能立即更新其输出，就会引入相当大的延时。此外，根据所用的器件和电路的设计，晶体管驱动器和相关晶体管引入的延时在50纳秒到1微秒。输出滤波器通常由电感和电容电路构成，同样会导致较大的延时。

与模拟反馈信号转换、处理器的数字计算以及数字PWM信号输出给功率晶体管的延时相关的所有延时都被加到采样速率延时。主控制回路的有效采样频率是控制器延时和采样延时的倒数。在本示例中，控制延时是4.1微秒，因此采样速率大约为244 kHz。

控制器带宽是控制器的有效采样速率与过采样比之商。一般来说，回路稳定工作要求6至10倍的过采样。在本示例中，需要6倍的过采样比来实现所需的回路性能。估计控制器带宽为40 kHz。在控制算法中加入前馈控制项可提升控制器的性能，使其性能超越带宽为40 kHz的传统PID控制器。

了解了这么一个示例以后，让我们看看采用这样的基本回路如何达到电源应用的某些架构需求。要防止PWM信号的波动对控制器产生影响，要求PWM重载频率应至少比DSC带宽高4或5倍。本示例中两者的比为10:1，这样就要求将PWM频率设置为400 kHz。一旦设置了PWM重载频率，就可据此确定PWM分辨率。

许多供应商和客户均对“PWM分辨率”这一术语感到困惑。PWM分辨率并非指特定计数器的宽度，而是指在一个PWM周期内的计数值(可能的最小PWM时间片段)。在电源行业中，PWM分辨率指定为一个PWM周期中可达到的最小时间增量，通常单位为纳秒。如果DSC的数字PWM模块不具有足够的分辨率，控制系统(硬件或软件)将会使用dither(扰动)处理方法对输出进行调整以实现期望的平均输出。在电源应用中，PWM扰动会导致电流纹波问题并使控制进入不理想的“极限循环”工作模式。

PWM分辨率 = PWM计数器频率 / PWM频率

已经为设计选择好了PWM频率，还必须确定所需的PWM分辨率。本示例要求约11位的分辨率，因此PWM时钟必须工作在约1 GHz的频率下。

控制算法由SMPS软件实现，其中的核心就是PID循环。PID软件通常比较小，只有1到2页的代码，但其执行速率非常高，通常每秒可以进行几十万次迭代！

这样高的迭代速率要求PID软件程序必须足够高效以使性能最佳。汇编器提供了确保“代码紧凑”的好方法。

PID软件的执行时间确定了两个系统性能指标：

1. PID迭代速率，由它确定控制回路更新之间的时间。

2. PID执行时间，是反馈采样和PWM更新之间的关键路径。

ADC以固定的时间间隔中断，供DSC执行PID控制循环。任何可在“闲置循环”内执行的系统函数均应在PID控制软件循环外执行。诸如升压/降压、错误检测和前馈计算等函数，以及通信支持程序均可在闲置循环内执行。任何其他由中断驱动的进程(比如通信)的优先级必须低于PID循环。

设计数字电源转换软件时可遵循如下指导方针：

推荐采用汇编语言编写执行速率极快的内部PID循环
PID执行时间会影响稳定性
PID迭代速率会影响稳定性
PID处理器的负载不超过其额定值的66%
在闲置循环中执行“辅助函数”。

数字电源转换需要某些独特的ADC采样功能，来实现不需要过多处理功能的实际应用。系统中实现了一个控制回路，DSC在该回路中通过PWM状态驱动被采样的信号。系统了解何时采样感兴趣的信号以提供最多的信息。图5说明了在PWM驱动信号的精确位置触发ADC转换的重要性。

图5 异步ADC采样示例

要使电源转换器应用的设计成本最低，最好是能够对系统中接近地电位的位置测量电压和/或电流。这样省去了处理直接监视通过电感“L”的电流所需的大共模电压的电路，从而降低了成本和复杂性。

在本例中，当晶体管导通时电感电流流经晶体管。应当测量晶体管关断时的瞬态峰值电流。如果用户无法在正确的时候捕捉电流采样(比如采样延时)，晶体管将处于“关断”状态。若在晶体管关断时采样，因为没有电流流经检测电阻“R”，因而测量不到电流。采样延时比测得不良数据更糟糕——因为根本就没有数据！

如图5所示，异步转换的功能在数字电源转换应用中很重要。在异步转换中，ADC不限于周期性采样速率。这些应用要求采样点与根据PWM模块输出的驱动信号设定的精确位置对齐。采用多个ADC采样保持电路同样很重要，因为它们可灵活地由数字PWM外设直接触发。由于软件引入的抖动，通过软件触发(与由数字PWM触发相比)无法产生有用的结果。通过软件触发的方式还会因执行软件而引入过长的时间。

模拟比较器提供了直接在数字控制回路中执行所无法获得的额外好处，这是由于：

ADC无法连续监视信号。
ADC的监视功能受ADC速度限制。如果ADC花费所有的时间监视特定的信号，它将无法监视其他任何事务。
基于ADC的电流监视会延长电流测量和PWM输出之间的延时(> 300 ns)。
模拟比较器使电流测量和PWM输出之间的延时约25纳秒。
模拟比较器可监视过压或过流条件，而无需依赖处理器。
模拟比较器无需下载处理器软件或ADC，就可执行电流模式的控制。

一般来说，用来执行限流或数字PWM信号的故障关断功能的模拟比较器对于数字电源转换的实现很重要。图6给出了使用模拟比较器执行限流的系统示例。

图6 使用模拟比较器进行限流

模拟比较器接入数字电源系统的方式也很重要。例如，每个模拟比较器均应自带一个10位DAC，从而允许用户控制比较器的阈值。比较器的参考电压必须精确而稳定，且比较器必须具有快速响应。

通常，从检测到模拟电压到比较器修改PWM输出的时间应为20纳秒左右。限流控制或故障响应就是在这个时间段内执行的。这个响应时间比通过软件“查询”技术可能花费的时间快很多，软件技术会使用ADC和处理器软件来修改PWM输出，作为对条件变化的响应。

复杂的电源产品和数字电源转换

将数字电源转换技术应用到更为复杂的电源产品会带来很多好处。例如，图7给出了一个AC至DC电源的框图。

图7 数字AC至DC电源框图

图7中的设计被分为三个主要部分—升压PFC、隔离的DC至DC转换器和弱电侧的一组低压DC至DC同步降压转换器。在PFC电路中，交流输入电压被转换为直流电压并被升至400 V，该电路负责使设计中的电源线电压失真降至最小。PFC确保电源线上的电流成正弦波形，与线电压同相位。

PFC电路输出的400 VDC总线电压随后被馈送给推挽式DC至DC调制器电路，该电路产生的脉冲电压可应用给变压器。变压器隔离交流线路和直流输出电压并执行从400 VDC到12VDC的电压转换。然后对变压器的输出进行整流和滤波。

该设计使用“中间总线”架构。中间总线电压为12 VDC，它不直接驱动负载而是向一组同步降压转换器供电。这些转换器将中间电压转换为最终输出电压。

本设计中使用了两个DSC—一个控制PFC和推挽式电路，另一个控制降压转换器并将信息反馈到强电侧DSC。在系统中放入这两个DSC在保持系统两边全功能工作的前提下大大降低了隔离的成本和复杂度。隔离可被限制为隔离用于处理器间串行通信的两个数字信号，能以低廉而可靠的方式实现。这样的设计消除了对模拟信号进行隔离的需要。系统中DSC的价格应足够低，体积应足够小，从而可在必要时在一个设计中使用多个。

目前许多SMPS使用“硬开关”，其中晶体管的导通与关断与施加给晶体管的信号的电流相位和电压无关。

在硬开关转换器中，电压和电流同相，因此开关功率损耗与开关频率和时间直接成正比。这种情况下开关时间很可能与实际所能达到的时间一样短。为进一步降低开关损耗开发了SMPS拓扑结构和控制方案，以将开关过程中晶体管电压相对于其电流的相位进行移动。如果开关过程中电压或电流为零，则开关功率损耗为零。

采用“软开关”可提高电源的效率、降低其成本并增加可靠性。此外，通过实现较高的开关速率，可使用更小的储能器件和磁性元件，从而进一步降低系统成本和尺寸。通过使用软开关，还会降低系统中产生的热量，因而会使储能器件和磁性元件具有更大的裕量—从而进一步提高了系统可靠性。
诀窍是要以经济的方式实现软开关，这就要求数字PWM模块具有支持软开关技术的额外功能。要实现各种各样的拓扑结构和先进的开关技术，如上述讨论的有关软开关的技术，所选芯片上的数字PWM应相当灵活。PWM模块中针对数字电源转换的功能包括下述几种工作模式所需的功能：

1. 标准。标准模式是标准的非互补的输出模式，其中一路或两路输出提供相同的PWM波形。

2. 互补。互补模式在一个引脚上提供PWM输出信号，在另一个引脚上提供与之互补的PWM信号。

3. 推挽。推挽模式在一个输出引脚上提供标准PWM信号。在下一个周期，由另一个引脚输出相同的PWM信号，然后这一过程不断重复。

4. 多相。多相模式允许多个PWM发生器输出同步的PWM信号，但这些信号之间存在相移。

5. 可变相位。可变相位模式与多相模式类似，但前者信号间的相位关系是不断改变的。

6. 电流复位。电流复位模式是一种变频模式，由用户指定导通时间，由外部信号或内部模拟比较器截断导通时间使PWM输出关断。

7. 限流。限流模式是标准、互补、推挽、多相和可变相位模式的一种形式，其中模拟比较器或外部信号会逐周期截断数字PWM的导通时间。

结语

电源产品中正越来越多地使用数字电源转换技术以提高产品的性能、效率和功率密度。本文阐述了设计人员可用来达到这些目标的实用技巧，首先是选择合适的硬件架构。数字电源设计的实际需求以及如何满足这些需求是设计人员开发经济高效的数字电源产品的绝对重点。

使用数字技术的重要价值之一就在于它给予了设计人员创造和保护新知识产权(IP)的自由。使用新型灵活的DSC开发数字电源转换应用的设计人员正在尝试使用新的技术来进行拓扑结构和算法创新。由于新的IP是采用软件而不是硬件实现的，因而可得到快速而高效的测试。