介紹
數(shù)字控制利用模擬技術(shù)很難做到的復(fù)雜控制算法大幅提高系統(tǒng)效能，這不僅讓傳統(tǒng)電源架構(gòu)的效能更強(qiáng)大，還可實(shí)現(xiàn)過去由于缺少精密控制算法而無法達(dá)成的電源創(chuàng)新。數(shù)字控制還能免除容易受到老化和溫度影響的外部模擬元器件，進(jìn)而讓系統(tǒng)可靠性獲得改善。在線可編程" title="可編程">可編程能力 (in-system programmability) 的加入使得制造商只要修改軟件就能調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)客制化產(chǎn)品和縮短設(shè)計(jì)周期。
數(shù)字化電源控制對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員并不新鮮。過去二十年里，包括馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和三相電源轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的許多應(yīng)用早就通過通用處理器和DSP實(shí)作各種數(shù)字控制方法。在這些應(yīng)用中，電源半導(dǎo)體元器件由于在相對(duì)較低的開關(guān)頻率下操作，因此低效能處理器也能執(zhí)行復(fù)雜的控制和監(jiān)控作業(yè)。開關(guān)式電源供應(yīng)的數(shù)字化控制需要高速處理能力和低成本系統(tǒng)解決方案才能實(shí)現(xiàn)，這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有段時(shí)間對(duì)它們避之唯恐不及。但隨著數(shù)字控制技術(shù)不斷進(jìn)步，數(shù)字化開關(guān)電源的控制方法、架構(gòu)和電路實(shí)作技術(shù)又再引起業(yè)界注意。
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數(shù)字控制器架構(gòu)考慮
數(shù)字化開關(guān)電源控制器要在市場上成功，就必須具備低成本和易于使用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提供一種方法來實(shí)現(xiàn)模擬技術(shù)不易達(dá)成的功能及效能。此處將考慮三種常用架構(gòu)：DSP、客制硬件和特殊應(yīng)用處理器。
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圖1：數(shù)字控制架構(gòu)
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DSP架構(gòu) (圖1A) 必須對(duì)所有相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時(shí)由另一顆處理器實(shí)時(shí)執(zhí)行控制和管理算法。這種做法雖然很有彈性，但是實(shí)際成本、體積和效能卻比模擬技術(shù)受到更多限制。例如以更高PWM頻率操作的應(yīng)用由于受到DSP帶寬限制，其效能或許會(huì)輸給模擬技術(shù)。
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硬件式設(shè)計(jì) (圖1B) 則會(huì)用固定架構(gòu)的硬件狀態(tài)機(jī)器來執(zhí)行控制算法，這與DSP架構(gòu)大相庭徑。這種架構(gòu)雖比DSP架構(gòu)的效能更強(qiáng)和成本更低，卻沒有任何彈性，必須通過專門設(shè)計(jì)才能符合特定終端應(yīng)用的要求。
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特殊應(yīng)用處理器 (圖1C) 結(jié)合DSP解決方案的可編程特性以及硬件解決方案的效能和低成本，它會(huì)利用專屬的可規(guī)劃式硬件來執(zhí)行效能需求較高的運(yùn)算，例如各個(gè)周期的控制變量計(jì)算和電流限制。硬件處理器是由一個(gè)效能較低的可編程系統(tǒng)處理器負(fù)責(zé)管理，它會(huì)持續(xù)修改硬件處理器的參數(shù)，使得系統(tǒng)在任何電源或負(fù)載下都能發(fā)揮最大效能。系統(tǒng)處理器還會(huì)執(zhí)行系統(tǒng)預(yù)測及管理功能。這種架構(gòu)兼具彈性與效能，故可提供體積更小的低成本解決方案。
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數(shù)字控制概述
此處將對(duì)傳統(tǒng)模擬控制與數(shù)字控制進(jìn)行比較。在此之前，我們先簡單復(fù)習(xí)模擬電壓模式" title="電壓模式">電壓模式控制和電流模式控制" title="電流模式控制">電流模式控制。圖2即為模擬電壓模式控制電路，脈沖寬度調(diào)變 (PWM) 周期是由自由型 (free-running) PWM時(shí)鐘的邊沿所啟動(dòng)。這個(gè)時(shí)鐘的邊沿會(huì)設(shè)定PWM鎖存器 (以便讓電流通過電感或變壓器) 并產(chǎn)生一個(gè)線性斜坡電壓送到PWM比較器。誤差放大器則會(huì)將參考電壓減掉輸出電壓并加上適當(dāng)?shù)念l率補(bǔ)償來產(chǎn)生補(bǔ)償后誤差信號(hào) (VERROR)，再由PWM比較器比較斜坡電壓與補(bǔ)償后誤差信號(hào)，并在兩者差異為零時(shí)重設(shè)PWM鎖存器。
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圖2：模擬電壓模式控制
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電流模式控制 (圖3) 可以調(diào)節(jié)輸出電流，這使它的輸出瞬時(shí)響應(yīng)速度比電壓模式控制還要快。如前所示，PWM周期是由PWM頻率設(shè)定鎖存器所啟動(dòng)，但控制器要等到電路提供提供充份的電流給負(fù)載并使誤差為零后才會(huì)重設(shè)。
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圖3：模擬電流模式控制
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這些控制方法雖不完美，卻各有最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。表1總結(jié)列出了電壓模式和電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
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一種最佳的數(shù)字控制器架構(gòu)
Silicon Laboratories的Si825x系列是圖1C所示架構(gòu)的最佳范例。這顆控制器包含一組專屬的信號(hào)處理硬件和一個(gè)內(nèi)含閃存的可編程管理處理器，前者專門執(zhí)行濾波器和調(diào)變功能等高帶寬作業(yè)，后者則執(zhí)行低帶寬回路最佳化、系統(tǒng)管理和例外 (exception) 處理等功能。管理處理器并未位于高帶寬信號(hào)路徑，這使它設(shè)計(jì)更簡單、成本更低和更容易進(jìn)行編程設(shè)定。這種做法的彈性雖然不比DSP好，但已能支持種類廣泛的開關(guān)式電源供應(yīng)設(shè)計(jì)。Si825x的處理能力可用來產(chǎn)生更精密的控制算法，同時(shí)讓這些算法兼具電壓模式和電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)以及將兩者的缺點(diǎn)減至最少。這種“數(shù)字化電壓模式控制”實(shí)際上就是一種結(jié)合多個(gè)小型效能增強(qiáng)回路的主電壓模式控制回路。
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Si825x是采用低成本CMOS技術(shù)的單芯片混合信號(hào)元器件，可用于各種DC/DC和AC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。圖4為這款控制器的功能方塊圖。
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圖4：數(shù)字化電源供應(yīng)控制器方塊圖
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Si825x包含一個(gè)電源供應(yīng)專用的硬件方塊DSP和軟件可編程的系統(tǒng)管理處理器，前者提供高帶寬、完全獨(dú)立的數(shù)字控制回路功能，后者則可執(zhí)行系統(tǒng)功能。硬件方塊控制路徑包括高速差動(dòng)式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換控制器 (ADC)、電壓參考型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換控制器 (DAC)、可編程IIR (Infinite-Impulse Response) 補(bǔ)償器和六相位DPWM有限狀態(tài)機(jī)器。DAC、ADC與補(bǔ)償器會(huì)合作產(chǎn)生負(fù)載周期控制信號(hào)來調(diào)變6組獨(dú)立控制的DPWM相位輸出。另外還有提供個(gè)別周期 (cycle-by-cycle) 電流限制和故障偵測功能的保護(hù)電路，它們是硬件數(shù)字控制回路不可或缺的一部份。系統(tǒng)管理處理器單元提供一個(gè)以指令為基礎(chǔ)的引擎，包括一組8通道自排序 (self-sequencing) 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器" title="模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器">模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一組以8051為基礎(chǔ)的50MIPS微控制器、四組16位定時(shí)器和其它系統(tǒng)外圍I/O，它們共同提供系統(tǒng)初始化、控制回路最佳化、故障復(fù)原、系統(tǒng)內(nèi)部管理功能 (housekeeping)、通訊界面、軟啟動(dòng)/停止和使用者定義的功能。其它系統(tǒng)功能還包括高精準(zhǔn)度 (2.0%) 振蕩器、可為DSP和微控制器提供所有必要頻率的鎖相回路 (PLL) 頻率倍頻器、存儲(chǔ)使用者編程 (user-defined programming) 的非揮發(fā)性編程存儲(chǔ)內(nèi)存 (non-volatile memory)、UART和GPIO端口。Si825x還提供監(jiān)控緩存器和組態(tài)緩存器來幫助兩顆處理器進(jìn)行界面連結(jié)。
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這種控制器的架構(gòu)類似于模擬電壓模式控制。如圖所示，Si825x的“控制處理器”架構(gòu)直接對(duì)應(yīng)于圖2的模擬電壓模式控制器。它還會(huì)像模擬控制器一樣利用差動(dòng)輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器組成的“數(shù)字誤差放大器”將參考電壓減掉輸入電壓" title="輸入電壓">輸入電壓。圖4的數(shù)字誤差項(xiàng)u(n) 就像是模擬誤差項(xiàng)VERROR。由于輸出負(fù)載周期也是補(bǔ)償后誤差變量u(n) 的函數(shù)，所以數(shù)字PWM (DPWM) 就等于是模擬PWM。這款控制器還會(huì)利用專屬的個(gè)別脈沖限流電路在電流達(dá)到最大允許值時(shí)切斷PWM波形，這與許多模擬控制器非常類似。
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控制處理器提供系統(tǒng)閉回路控制，系統(tǒng)處理器則提供可編程智能功能來提高效能。系統(tǒng)處理器包含一個(gè)高速CPU和一個(gè)用來將輸入電壓與電流等重要系統(tǒng)參數(shù)數(shù)字化的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這個(gè)CPU可做為多回路控制器并利用12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供的信息將控制處理器的動(dòng)作最佳化；換言之，這個(gè)CPU可以調(diào)整開關(guān)控制時(shí)序、電壓參考設(shè)定值、保護(hù)臨界值和回路帶寬等控制參數(shù)，以便提高系統(tǒng)在所有電源和負(fù)載條件下的效能。
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根據(jù)上述說明，再重新參考表1內(nèi)電流模式優(yōu)于電壓模式的部份：
- 瞬時(shí)響應(yīng)更快
- 補(bǔ)償較簡單
- 支援電流分擔(dān)
- 支援變壓器磁通量平衡
- 支持個(gè)別脈沖限流
- 回路增益不會(huì)隨著輸入電壓而改變?
Si825x數(shù)字電壓模式控制則能解決這些問題：
- 瞬時(shí)響應(yīng)更快：非線性控制可用來迅速消除瞬時(shí)現(xiàn)象。此處，CPU會(huì)在瞬時(shí)開始時(shí)增加補(bǔ)償電路帶寬，然后繼續(xù)調(diào)整回路帶寬直到瞬時(shí)現(xiàn)象消除為止 (此后就恢復(fù)到回路帶寬默認(rèn)值)
- 補(bǔ)償較簡單：利用軟件實(shí)作數(shù)字控制器的回路補(bǔ)償功能。這樣補(bǔ)償功能的復(fù)雜性就不會(huì)影響元器件數(shù)目、電路板面積或成本
- 電流分擔(dān)：CPU可以執(zhí)行電流分擔(dān)回饋算法，并以輸出電流做為控制變量，補(bǔ)償后的負(fù)載周期變量u(n) 為受控變量
- 變壓器磁通量平衡：CPU可以執(zhí)行回授算法，并以變壓器兩端的有效電壓為控制變量，時(shí)序相位對(duì)稱性 (timing phase symmetry) 為受控變量
- 個(gè)別脈沖的限流保護(hù)：Silicon Laboratories Si825x之類的數(shù)字控制器大都會(huì)內(nèi)建專屬電路，用來提供個(gè)別周期的電流限制和電流過載保護(hù)功能
- 回路增益隨著輸入電壓而改變：CPU可以執(zhí)行輸入電壓前授算法，其中輸入電壓為控制變量，回路增益則為受控變量
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上述算法能彌補(bǔ)基本電壓模式控制法之不足，并協(xié)助實(shí)現(xiàn)電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，它沒有電流模式控制的相關(guān)缺點(diǎn) – 尤其是斜坡電流很小的低負(fù)載噪聲耐受性、負(fù)載周期超過50%時(shí)的斜率補(bǔ)償需求以及多輸出電源供應(yīng)的耦合電感需求。除了上述功能之外，設(shè)計(jì)人員還能增加其它的軟件控制回路，例如CPU可以調(diào)整停滯時(shí)間 (dead time) 以便將輸入電流減至最小，這會(huì)將效率提升為最大值。
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結(jié)語
Si825x數(shù)字化電源控制器采用雙處理器設(shè)計(jì)，它能將所有通訊及內(nèi)部管理工作與主要的回路控制工作分開。這款內(nèi)含雙處理器的控制器可以整合到QFN-28和LQFP-32兩種封裝。Si825x使用25MHz的內(nèi)部系統(tǒng)頻率進(jìn)行操作，它還會(huì)利用以鎖相回路為基礎(chǔ)的頻率倍頻器將這個(gè)頻率升頻轉(zhuǎn)換為50、100和200MHz頻率，然后提供給回路控制用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、DPWM和某些外圍使用?？删幊淘O(shè)定的選項(xiàng)包括利用外部頻率和芯片內(nèi)建的3位可編程預(yù)除器 (pre-scaler) 進(jìn)行操作以及80kHz的整合低頻頻率，后者對(duì)于某些耗電很小的非操作模式 (non-operational mode) 有很大幫助。Silicon Laboratories還提供一款專用的10MHz、6位回路控制模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和另一款內(nèi)含八通道多任務(wù)器以支持電流、溫度和其它內(nèi)部測量功能的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這款數(shù)字化電源控制器可同時(shí)為多數(shù)隔離式與非隔離式開關(guān)電源供應(yīng)架構(gòu)提供數(shù)字化電源控制和電源管理功能。