数字电源控制和管理以及PMBus编程

Don Tuite

数字电源分为数字电源控制和数字电源管理两个部分。“数字电源控制”是指利用数字反馈回路对电压和电流进行调节。“数字电源管理”是指可以通过串行链路对电压和电流限制等电源输出特性进行配置，它也意味着可以通过相同的链路将实时电压、电流和操作温度的测量值发送至外部系统控制器。

本文主要讨论脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)和脉冲频率调制(PFM)开关稳压器和控制器IC。其中一些集成了控制实际开关的一个或多个晶体管的驱动器，另一些则没有。还有一些甚至集成了开关FET，如果它们提供合适的负荷的话。因此，数字还是模拟的问题取决于稳压器的控制回路如何闭合。

图1显示了两种最常见的PWM开关拓朴布局的变化，降压和升压(buck/boost)转换器。在同步配置中，第二只晶体管将取代二极管。在某种意义上来讲，脉冲宽度调制的采用使得这些转换器“准数字化”，至少可与基于一个串联旁路元件的723型线性稳压器相比。事实上，PWM使得采用数字控制回路成为可能。不过，图1中的转换器缺少控制一个或几个开关占空比的电路，它可在模拟或数字域中实现。

不管采用模拟还是数字技术，都有两种方式实现反馈回路：电压模式和电流模式。为简单起见，首先考虑它在模拟域中如何实现。



在电压模式拓朴中，参考电压减去输出电压样本就可得到一个与振荡器斜坡信号相比较的小误差信号(图2)，当电路输出电压变化时，误差电压也产生变化，后者反过来改变比较器的门限值。反过来，这将使输出信号宽度发生变化。这些脉冲控制稳压器开关晶体管的导通时间。随着输出电压升高，脉冲宽度将变小。

电流模式控制的一个优势在于其管理电感电流的能力。一个采用电流模式控制的稳压器具有一个嵌套在一个较慢的电压回路中的电流回路。该内回路感应开关晶体管的峰值电流，并通过一个脉冲一个脉冲地控制各晶体管的导通时间，使电流保持恒定。



与此同时，外回路感应直流输出电压，并向内回路提供一个控制电压。在该电路中，电感电流的斜率生成一个与误差信号相比较的斜坡。当输出电压下跌时，控制器就向负载提供更大的电流(图3)。

在这些控制拓朴中，在回路的相移达到360°的任意频率处，控制回路的增益不能超过1。相移包括了将控制信号馈入反馈运放的倒相输入端所产生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延迟、以及由电容和电感(特别是输出滤波器的大电容)引入的延迟。

稳定回路要求对一定频率范围内的增益变化和相移进行补偿。传统上，采用模拟PWM来稳定电源通常需要采用经验方法：你在一块与生产型电路板相同布局的实际电路板上，实验各种无源器件的不同组合，并观察在电源电压和负载需求变化时的电路时间域响应。最近，事情已变得很简单。因为现在模拟控制器公司在其自己的型号产品上实现了首先在数字控制器上引入的各种“在寄存器中插入一个值”的功能。



数字控制回路

大多数电压模式控制的数字实现方案包括了模数转换器(ADC)、实现一些控制算法的微控制器或DSP、以及一个数字脉冲宽度调制器(DPWM)，该DPWM拾取控制器输出并产生驱动执行开关动作的一个或几个晶体管所需的信号(图4)。

首先，ADC产生馈入控制器的一系列输出电压的数字表示。控制算法是人们所熟悉的比例积分(PI)或比例积分/差分(PID)算法。

在一个PID控制器(更复杂的实例)中，每个ADC输入都要执行基于一系列系数的算法。比例系数是与灵敏度相关的增益因子。整数系数按照错误出现的时间长短来调节PWM的占空比。诱导系数补偿回路的时间延迟(相位更有效)。综合起来，PID算法的各个系数决定了系统的频率响应。

控制器随后将ADC的输出电压表示转换成维持期望的输出电压所需的脉冲持续时间(占空比)信息。然后，该信息被传送至一个DPWM，它执行与模拟PWM一样的驱动信号产生功能。

注意模拟和数字控制方案管理开关晶体管的不同。模拟控制器在时钟上升沿触发开关晶体管成ON状态，并在电压坡度达到预设的门槛电压时将晶体管触发成OFF状态；PID控制器则计算开关晶体管ON和OFF状态期间所需的持续时间。

理论上，模拟控制可以提供连续精度的输出电压。但ADC精度和采样率的交互作用再加上DPWM开关速率，使情况变得有些复杂。

例如，DPWM必须具有比ADC更高的精度。否则，ADC输出的1LSB变化就可能导致DPWM使输出电压变化大于1LSB。其结果是，输出电压就稳定地在两个数值之间转换，这个状态被称之为“限制性循环”。



不过，避免循环也不是轻而易举的。这是因为要提供DPWM更高的精度就意味着必须提高其脉冲速率(脉冲速率决定了在任一给定时间段能够产生多少比特)。然而，DPWM脉冲速率限制了它对所有来自控制器的比特进行压缩的时间。如果一个DPWM具有1MHz开关速率和10位ADC，那么计算显示，调制器要求超过1 GHz的脉冲速率。

当然，如此的高速度是不切实际的，因此数字控制器的设计者必须找到另一种替代解决方案。一种方案是引入一些DPWM时钟抖动。稳压器输出过滤器对馈入的任一脉冲串进行平均，这使对每个mth输出脉冲的宽度进行相当于1 LSB的调整成为可能。

这将脉冲串的平均值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。如果在控制器输入端的1LSB使输出脉冲串平均变化10 mV，这将使每四个脉冲缩短相应于10 mV的时间，那么通过滤波器的平均输出电压将降低 10 mV/4，即2.5 mV。

当系统具有一个以上的电压轨时，按照正确顺序导通电压轨，并在电源启动和关闭时控制电压的变化速率将变得十分重要。在具有多个电源轨的系统中，采用数字电源管理更易于对不同电压轨的顺序和时序进行编程。

电源转换器或控制器并没必要同时具有数字电源控制和数字电源管理功能。现在，一些DC/DC调节器采用模拟控制方式，但能提供增强型I2C总线上的可编程性能；另一些DC/DC调节器采用数字反馈，但通过将特定引脚直接接地或通过电阻接地，也可以设置操作特性。如今，大量的电源管理和一些电源控制功能是通过电源管理总线(PMBus)来实现的。