Microchip公司利用数字反馈环路自由地定制电源产品

　　解决愈加紧迫的电源稳压和安全问题需要高效和智能的电源，并且这些电源应能提供外部监视功能，还可以通过最少的硬件改变实现高性价比地制造。

　　电源技术的进步表明，电源转换反馈环路的数字化控制可以帮助设计师创建具有更高功率密度的精确且可靠的电源，并且成本更低，上市速度更快。这些数字电源可以在生产过程中的任何时候方便地进行定制，因为全部修改可以用软件而非硬件实现。

　　在小于100W的直流到直流电源和小于250W的交流到直流电源中模拟反馈电路仍具有很大的意义。然而在高性能、高等级的电源中，电源转换反馈环路的数字化控制越来越重要，因为它能克服有时由固定模拟技术引起的大多数限制。

　　例如，电容负载可能显著影响电源的稳定性。虽然模拟反馈系统也能处理电容负载，但负载电容的大幅变化可能超过设计的相位和增益余量。数字反馈系统的优势在于它能随时改变补偿方式，能让反馈环路实时补偿负载特性的更宽范围变化。

　　转向数字方式

　　直到最近，数字反馈系统也很少使用，因为它们非常复杂，所需DSP成本高，而且DSP外设的功能有限。然而通过培训，人们能感觉到的复杂性正在逐渐降低，而数字信号控制器（DSC）的推出也有助于减轻与成本和外设功能有关的问题。

　　DSC充分结合了MCU的外观和感觉以及DSP的运算和处理能力。CPU设计采用了通常在DSP中运用的数学函数，而外设的功能和灵活性可以追溯到嵌入式控制器。因此目前的DSC既具有DSP的数学性能，也保持着灵活性和外设的复杂对等特性。DSC极大地降低了设计复杂性，不需要消耗CPU性能就能实现设计目标。

　　事实上，在这些性能的支持下，使用DSC的设计确实要比DSP设计简单得多，因为许多DSC集成了电源专用的片上外设。这种外设包含了基于计数器的脉冲宽度调制（PWM）模块、模拟比较器和模拟到数字转换器（ADC），因此可以实现基于模拟比较器的反馈环路和ADC采样。这些功能再加上单时钟周期内的快速乘法能让DSC轻易提供电源控制环路软件所需的高执行速率。

　　DSC的功能和高功率设计的较低开关频率使得具有合适外设但性能适中的DSC也能轻松处理多个控制环路。这意味着单颗芯片不仅能提高电源的响应特性，还能同时为多个独立输出做到这一点。

　　在开始电源设计前，设计师必须作出三种基本选择：

　　1. 设计采用什么拓扑？

　　2. 采用什么工作模式？

　　3. 采用什么样的控制方法？

　　拓扑主要取决于设计的输入至输出电压比。工作模式则取决于拓扑和所要求的输出电流以及与元件相关的成本。最后，控制方法通常取决于可用的技术以及重要性稍低的器件成本。下面将详细讨论上述每种选择，并指出使用DSC将如何影响这些选择。

　　拓扑

　　如上所述，拓扑主要取决于设计的输出输出电压比。具有较高输入电压的设计通常使用降压拓扑，而较低输入电压的设计通常采用升压拓扑。然而，影响拓扑选择的另外一个因素是具有必备特性的PWM控制器，它要与所选拓扑相兼容。毕竟，如果设计师不能产生正确的开关信号，那么开关模式的电源（SMPS）就不可能实现。

　　这正是DSC的切入点。由于DSC的外设是可编程的，因此可以产生单相PWM输出、两相或三相PWM输出、半桥驱动输出甚至全H-桥驱动输出。事实上，由于DSC外设的可编程性，给定拓扑无需保持不变。

　　为了防止形成直通电流，DSC可能在桥输出之间采用死区控制电路。

　　从单相切换到两相然后再到三相、同时保持相位间的合理相移完全在DSC的能力范围之内。一些DSC甚至包含了桥输出之间的死区控制，可用来防止同步开关设计中产生直通电流。

　　工作模式

　　下一个要考虑的问题是工作模式。通常模拟设计工作在连续电感电流或非连续电感电流模式。这两种模式具有各自的独特优势。非连续电源模式设计可以保持稳定电压，即使输出电流小至零。而连续设计使用较小的磁性元件，对输出电压纹波有较严格的控制。直到最近业界还无法有效地整合这两种模式，因为它们有不同的反馈要求。

　　然而，DSC的可编程外设可以在设计工作时随时重配置。这意味着基于DSC的设计可以在不同工作模式之间切换，当输出电流足够大时切换到连续模式以获得稳定的工作，当输出电流降到足够低时再切换到非连续模式。

　　虽然模拟设计肯定可以执行相同的转换，但它要求两条反馈路径（一种模式一条），在转换时会有瞬时的毛刺。因此DSC还有一个额外优势，即只需要一条反馈路径。由于是基于软件的反馈技术，因此可以预加载反馈滤波器的存储元件，从而避免出现转换毛刺（图2）。

　　DSC具有改变操作模式的灵活性。

　　解决愈加紧迫的电源稳压和安全问题需要高效和智能的电源，并且这些电源应能提供外部监视功能，还可以通过最少的硬件改变实现高性价比地制造。

　　电源技术的进步表明，电源转换反馈环路的数字化控制可以帮助设计师创建具有更高功率密度的精确且可靠的电源，并且成本更低，上市速度更快。这些数字电源可以在生产过程中的任何时候方便地进行定制，因为全部修改可以用软件而非硬件实现。

　　在小于100W的直流到直流电源和小于250W的交流到直流电源中模拟反馈电路仍具有很大的意义。然而在高性能、高等级的电源中，电源转换反馈环路的数字化控制越来越重要，因为它能克服有时由固定模拟技术引起的大多数限制。

　　例如，电容负载可能显著影响电源的稳定性。虽然模拟反馈系统也能处理电容负载，但负载电容的大幅变化可能超过设计的相位和增益余量。数字反馈系统的优势在于它能随时改变补偿方式，能让反馈环路实时补偿负载特性的更宽范围变化。

　　转向数字方式

　　直到最近，数字反馈系统也很少使用，因为它们非常复杂，所需DSP成本高，而且DSP外设的功能有限。然而通过培训，人们能感觉到的复杂性正在逐渐降低，而数字信号控制器（DSC）的推出也有助于减轻与成本和外设功能有关的问题。

　　DSC充分结合了MCU的外观和感觉以及DSP的运算和处理能力。CPU设计采用了通常在DSP中运用的数学函数，而外设的功能和灵活性可以追溯到嵌入式控制器。因此目前的DSC既具有DSP的数学性能，也保持着灵活性和外设的复杂对等特性。DSC极大地降低了设计复杂性，不需要消耗CPU性能就能实现设计目标。

　　事实上，在这些性能的支持下，使用DSC的设计确实要比DSP设计简单得多，因为许多DSC集成了电源专用的片上外设。这种外设包含了基于计数器的脉冲宽度调制（PWM）模块、模拟比较器和模拟到数字转换器（ADC），因此可以实现基于模拟比较器的反馈环路和ADC采样。这些功能再加上单时钟周期内的快速乘法能让DSC轻易提供电源控制环路软件所需的高执行速率。

　　DSC的功能和高功率设计的较低开关频率使得具有合适外设但性能适中的DSC也能轻松处理多个控制环路。这意味着单颗芯片不仅能提高电源的响应特性，还能同时为多个独立输出做到这一点。

　　在开始电源设计前，设计师必须作出三种基本选择：

　　1. 设计采用什么拓扑？

　　2. 采用什么工作模式？

　　3. 采用什么样的控制方法？

　　拓扑主要取决于设计的输入至输出电压比。工作模式则取决于拓扑和所要求的输出电流以及与元件相关的成本。最后，控制方法通常取决于可用的技术以及重要性稍低的器件成本。下面将详细讨论上述每种选择，并指出使用DSC将如何影响这些选择。

　　拓扑

　　如上所述，拓扑主要取决于设计的输出输出电压比。具有较高输入电压的设计通常使用降压拓扑，而较低输入电压的设计通常采用升压拓扑。然而，影响拓扑选择的另外一个因素是具有必备特性的PWM控制器，它要与所选拓扑相兼容。毕竟，如果设计师不能产生正确的开关信号，那么开关模式的电源（SMPS）就不可能实现。

　　这正是DSC的切入点。由于DSC的外设是可编程的，因此可以产生单相PWM输出、两相或三相PWM输出、半桥驱动输出甚至全H-桥驱动输出。事实上，由于DSC外设的可编程性，给定拓扑无需保持不变。

　　为了防止形成直通电流，DSC可能在桥输出之间采用死区控制电路。

　　从单相切换到两相然后再到三相、同时保持相位间的合理相移完全在DSC的能力范围之内。一些DSC甚至包含了桥输出之间的死区控制，可用来防止同步开关设计中产生直通电流。

　　工作模式

　　下一个要考虑的问题是工作模式。通常模拟设计工作在连续电感电流或非连续电感电流模式。这两种模式具有各自的独特优势。非连续电源模式设计可以保持稳定电压，即使输出电流小至零。而连续设计使用较小的磁性元件，对输出电压纹波有较严格的控制。直到最近业界还无法有效地整合这两种模式，因为它们有不同的反馈要求。

　　然而，DSC的可编程外设可以在设计工作时随时重配置。这意味着基于DSC的设计可以在不同工作模式之间切换，当输出电流足够大时切换到连续模式以获得稳定的工作，当输出电流降到足够低时再切换到非连续模式。

　　虽然模拟设计肯定可以执行相同的转换，但它要求两条反馈路径（一种模式一条），在转换时会有瞬时的毛刺。因此DSC还有一个额外优势，即只需要一条反馈路径。由于是基于软件的反馈技术，因此可以预加载反馈滤波器的存储元件，从而避免出现转换毛刺（图2）。

　　DSC具有改变操作模式的灵活性。

　　控制方法

　　最终设计选择是在设计的控制方法方面，是使用电压模式还是电流模式控制。传统的模拟SMPS设计使用这两种控制技术之一，最终取决于成本和可用技术。

　　电压模式控制是比较老的方法，在大多数早期的SMPS设计中经常被采用。它使用斜坡发生器和电压比较器将来自误差放大器/环路滤波器的误差信号转换为PWM脉冲宽度。简单的电压模式控制方法有三个基本局限性。第一，没有限流机制保护电路元件。第二，它对输入或输出瞬变的反应很慢。第三，它产生的反馈环路不稳定。

　　电流模式控制是更好和更安全的控制方法，它由双环格式组成。内部电流环设计用于将电感充电到输出电压环路规定的峰值电流。外环类似于电压模式控制的反馈环路，主要用于监视输出，对反馈进行相位/频率补偿，并调节电流环传送的能量。

　　因为内环以逐个周期为基础调整电感电流，因此电感实际上不会记忆上个脉冲，不会运送前个周期的能量。它还能为晶体管提供峰值电流保护，消除磁性元件中的“棘轮效应”，抑制输入电压的变化，并提供方便的控制环路补偿。

　　数字SMPS设计中电流模式控制的高效实现依赖于使用DSC。DSC具有板上PWM外设，其工作方式与电流模式PWM发生器相同（图3）。不同点在于数字反馈的输出。电压模式设计使用反馈直接控制PWM的占空比。在电流模式设计中，DSC的PWM具有基于比较器的脉冲终止功能，可以根据电流反馈调节脉冲宽度，并且数字到模拟转换器（DAC）的输出由数字反馈驱动。

　　电流模式控制是通过计算SMPS设计要求的PWM频率和最大占空比、然后用这些参数配置PWM计数器实现的。这就设定了最大的占空比和系统的脉冲频率。接下来设计必须调整参考DAC输出来处理有望最大范围的电流反馈信号。这样做可以在控制PWM占空比时提供最高的分辨率。

　　最后，还必须开发用于控制和稳定系统所需的特殊比例-积分-微分（PID）软件例程。这个例程必须根据来自ADC的反馈电压提供合适的反馈信号来实现稳定性能。另外，这个例程必须将这个反馈信号与自己内部的数字参数进行比较，并输出理想的电流设置给产生比较器参考信号的DAC（图3）。

　　这个SMPS设计采用的是基于DSC的数字电流模式控制。

　　数字环路控制

　　SMPS设计使用DSC时需要考虑的一个关键因素是确保板上PWM模块为电源设计提供足够的分辨率。DSC的ADC要向控制环路提供状态（反馈），因此也应具有足够的分辨率。

　　其次，谨慎选择DSC也很重要，DSC内置的模拟比较器必须有足够快的速度匹配所产生的脉冲宽度。虽然可以用ADC替代比较器用于终止PWM脉冲，但DSC必须连续监视和处理信号。这将浪费它们的处理能力，因为被监视信号只与固定限值比较。高速模拟比较器可以解放处理器和ADC，让它们执行其它更高价值的任务，同时帮助DSC执行电源故障和限流功能。

　　此外，DSC中的ADC模块提供独立的采样保持电路是很有用的，能让DSC以精确的时间同时采样多个电压或电流。这样即使瞬时信号也可以被采样，并且有助于降低系统成本。如果ADC可以异步采样就更好了，因为这样能支持工作在不同频率的多个控制环路，如运行在70kHz的功率因素校正（PFC）电路和运行在250kHz的直流直流转换模块。

　　SMPS设计中的PID算法

　　利用PID算法，实际电压与理想输出电压之间的比例、积分和微分误差同时被用来控制PWM占空比。PID算法共有三种基本的形式：

　　1. 串行，或交互；

　　2. 并行，或非交互；

　　3. 理想的并行。

　　电压和电流模式控制环路中都可以部署PID算法。另外，DSC不要求复杂的DSP编程技巧，因为它们将DSP功能作为人们熟悉的MCU环境中的外设加以提供。

　　占空比超过50%可能会产生电流模式的稳定性问题。不过可以通过PID软件设定要求的电流等级而轻松地解决这个问题。因此很容易调整DAC值，并使得数字化方式实现斜率补偿比模拟方式要容易得多，它需要一个与PWM脉冲同步的斜坡发生器和一个将斜坡与电流反馈相加的求和点。

　　上述技术将生成基于经济和较低MIPS的DSC的电流模式SMPS设计，而不是基于运行在1到2BIPS的快速控制器的设计。例如，Microchip公司提供的dsPIC30F202X DSC就包含有高分辨率数字PWM发生器、200万样本每秒标称性能的ADC、与10位参考ADC相连的高速模拟比较器和一个30MIPS、具有DSP功能的控制器（图4）。

　　像Microchip公司的dsPIC30F202X这种较低MIPS的经济型DSC并非采用运行在1到2BIPS的快速控制器，但它能提供电流模式SMPS设计的基础。

　　PID控制环路是控制软件的核心（图5），它以固定时间为基础在ADC中断下运行。象电压上升/下降、误差检测、前向反馈计算和通信支持例程等系统功能应在？空闲环路？中执行，以便减轻PID控制软件中不必要的工作负担。

　　位于软件核心的是PID控制环路结构。

　　PID环路是软件中对时间最敏感的部分。因此为了确保DSC资源得到高效使用，环路不应使用超过66%的可用处理器带宽。这样才能使设计有足够的能力处理通信等空闲环路功能，或支持软启动和排序等功能。

　　在基于30MIPS DSC的SMPS应用中，这将转换成包含有30条指令的PID环，执行时间约为1μs。按照500kHz（或2μs）的反复速率，PID控制环路使用一半的可用处理器带宽，或15MIPS。

　　自由创新

　　电源使用数字反馈控制有许多优点。最大的优点是它们具有很大的灵活性，可以让设计师自由地创新设计。如上所述，设计师最关心的是实现设计所需技术的可用性。DSC的优点在于其可配置性，它能让设计师创建专门针对目标设计的合适技术。

　　例如，一个电源可能需要在启动和关闭期间协调多个输出电压，或者在一组独立的电源转换模块之间执行负载或电流分担。在这些情况下，数字反馈控制无需额外成本就能提供这样的功能。按这些方式使用模拟器件定制电源是相当昂贵。另外一个优点是可以随时对系统作出修改的能力，或叫做热交换能力。例如，如果电信或其它任务关键应用中的电源模块发生了故障，服务技术工人可以在系统不间断工作的情况下用新的电源模块替换掉有缺陷的电源模块。这种热交换功能要是使用模拟器件实现的话将非常昂贵，但如果是受DSC数字化控制的电源将极具性价比。

　　另外，如果要求电源必须能够适应变化的要求，DSC也能轻松进行再编程。如果是模拟的电源设计，你必须利用新的模块重新开始。而且由于采用了片上闪存，DSC可以简化电源生产组装线。这意味着单个硬件设计经过配置可以满足不同用户的电压和/或电流要求。

　　另外，通过编程DSC中的闪存可以实现电源的微调和校准。这种方法不需要微调管或激光微调电阻。数字电源还能加载测试友好的软件进行电路板测试，或根据相同的DSC硬件平台生成多个定制产品。

　　本文小结

　　总之数字电源转换的好处非常多，设计师可以通过使用带电源友好型片上外设的DSC获得方便高性价比的设计。数字电源能让设计师自由创新和开发出更高可靠性、灵活性和瞬态响应的电源，还能在生产后期通过修改固件而不是硬件方便地进行定制。