數(shù)字電源正在超越模擬電源
“數(shù)字電源”正在徹底改變電源的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)方式。本文為您介紹替代傳統(tǒng)模擬控制的數(shù)字電源技術(shù)：數(shù)字電源具有超過(guò)模擬方案的巨大優(yōu)勢(shì)，不僅在性能方面(效率、瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性等)，而且在上市時(shí)間和總擁有成本方面也同樣如此。
基本概況
Intersil用于DC/DC電源轉(zhuǎn)換的ZL2008第二代自適應(yīng)數(shù)字化電源控制器是一款業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)字電源控制器。它適用于非隔離式降壓、升壓、降壓-升壓和隔離式單管正激或反激式轉(zhuǎn)換器。在6mm×6mm QFN封裝(圖1)內(nèi)是一個(gè)先進(jìn)的電源控制器，集成了電源轉(zhuǎn)換控制、電源管理、故障管理和遙測(cè)功能。此外，還包含一個(gè)集成的微控制器，可以運(yùn)行復(fù)雜的算法，可以適應(yīng)超越模擬方案性能的運(yùn)行。它代表了高性價(jià)比的數(shù)字電源的最新技術(shù)。
數(shù)字電源架構(gòu)與模擬架構(gòu)的對(duì)比
電源轉(zhuǎn)換控制架構(gòu)從模擬到現(xiàn)代數(shù)字控制的進(jìn)展。模擬PWM控制器通過(guò)使用一個(gè)斜坡誤差信號(hào)來(lái)產(chǎn)生比例占空比。該誤差信號(hào)利用電阻和電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，以修改信號(hào)來(lái)穩(wěn)定控制回路。
在數(shù)字電源中最早嘗試的比例占空比是通過(guò)一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器(DPWM)生成的，其計(jì)數(shù)是由數(shù)字信號(hào)處理器決定的。雖然這種方法在數(shù)字實(shí)現(xiàn)方面非常強(qiáng)大，但事實(shí)證明這種方法過(guò)于昂貴，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)需要太多的靜態(tài)電流。
在現(xiàn)代數(shù)字電源控制當(dāng)中，占空比仍然是由一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器生成的，但是現(xiàn)在的計(jì)數(shù)器是由數(shù)字狀態(tài)機(jī)控制的。這個(gè)狀態(tài)機(jī)是專門為電源控制器(而不是一般功能的DSP)設(shè)計(jì)的，所以這個(gè)解決方案更符合成本效益，且需要較少的靜態(tài)電流。
架構(gòu)采用了比例、積分、微分(PID)補(bǔ)償器來(lái)穩(wěn)定電源，而不需要一個(gè)完整的DSP來(lái)補(bǔ)償電源。誤差電壓的3個(gè)要素，誤差的比例、誤差的積分和誤差的微分結(jié)合了相對(duì)比重，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。
請(qǐng)注意，在架構(gòu)方面數(shù)字電源勝過(guò)模擬電源具備的一些優(yōu)勢(shì)：數(shù)字控制無(wú)需外部元件進(jìn)行補(bǔ)償。這不僅減少了元件數(shù)量，而且可以輕而易舉地改變補(bǔ)償，包括隨時(shí)改變，甚至隨負(fù)載變化進(jìn)行適應(yīng)性改變。
典型的情況是沒(méi)有數(shù)字控制器的外部分壓器。內(nèi)部參考可以縮放，因此無(wú)需使用外部分壓器。這顯然減少了元件數(shù)量，而且還有助于在工廠精確校準(zhǔn)控制器，這樣用戶就可以受益于高精度，而無(wú)需使用昂貴的用于分壓的精密電阻。
數(shù)字架構(gòu)可以簡(jiǎn)便地采用數(shù)字通信，這樣的操作可以進(jìn)行配置、控制，且在幾乎沒(méi)有外部元件的條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
一種數(shù)字電源控制器
顯示了現(xiàn)代數(shù)字電源控制器的基本架構(gòu)。在該架構(gòu)中，輸出電壓用一個(gè)差分放大器來(lái)檢測(cè)。這個(gè)模擬信號(hào)與參考進(jìn)行比較，生成個(gè)誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)被數(shù)字化(ADC)，結(jié)果通過(guò)一個(gè)數(shù)字補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，這將在本文稍后的部分中予以描述。數(shù)字補(bǔ)償?shù)妮敵鍪且粋(gè)占空比命令，它設(shè)定了數(shù)字PWM的持續(xù)時(shí)間。然后，數(shù)字PWM控制就可以FET驅(qū)動(dòng)器，開(kāi)關(guān)電源。
輸出電壓、輸入電壓、輸出電流、溫度都可以使用一個(gè)輔助模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行檢測(cè)，ADC可復(fù)用到各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。
配置可以利用引腳跨接、電阻器配置，或通過(guò)I2C接口的命令的方式實(shí)現(xiàn)。該電源可通過(guò)引腳或I2C接口進(jìn)行控制。配置、操作和環(huán)境條件的監(jiān)測(cè)是通過(guò)I2C接口實(shí)現(xiàn)的。
優(yōu)勢(shì)
1. 更高水平的集成
顯示了一個(gè)模擬PWM和數(shù)字PWM的典型應(yīng)用原理圖。盡管這兩個(gè)控制器共享相同數(shù)量的功率傳送(power train)元件(功率FET、電感器、輸入和輸出電容)，模擬控制器仍需要更多的外部元件。這是因?yàn)閿?shù)字控制器集成了許多功能和特性，而這些功能和特性沒(méi)有集成在模擬控制器內(nèi)。數(shù)字控制器減少了十幾個(gè)元件。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字控制器已被證明，在中高度復(fù)雜設(shè)計(jì)中可以減少多達(dá)60％的外部元件。
2. 穩(wěn)定性
顯示了一個(gè)典型的電源轉(zhuǎn)換電路。該電源轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)帶有固定調(diào)制增益Gfix的PWM控制器、高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)，輸出級(jí)包含一個(gè)電感器和一個(gè)或多個(gè)電容，一個(gè)負(fù)載，以及反饋或控制回路。在這種情況下，反饋控制顯示為Type 3(或III)放大器，但可以是任何反饋控制器？刂苹芈返挠猛臼菍⑤敵雠c一個(gè)已知參考、VR進(jìn)行比較，并調(diào)整PWM信號(hào)來(lái)糾正輸出和參考之間的差額。
除了減少元件數(shù)量方面的優(yōu)勢(shì)之外，數(shù)字化還提供了進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，即集成的元件值可表示為存儲(chǔ)在數(shù)字寄存器中的值。這有助于根據(jù)設(shè)計(jì)的不同方便地改變這些值，甚至隨時(shí)改變，或適應(yīng)不斷變化的條件。
控制系統(tǒng)做出的任何改變都會(huì)對(duì)系統(tǒng)引入一種干擾。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大而實(shí)用的系統(tǒng)，在這種干擾存在的條件下系統(tǒng)必須保持穩(wěn)定。事實(shí)上，它必須在存在一大堆干擾的條件下保持穩(wěn)定，包括輸入電壓變化、負(fù)載變化，甚至溫度變化等等。
我們可以通過(guò)反饋路徑增益如何接近-1來(lái)描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性。也就是說(shuō)，在增益接近-1的條件下，反饋有多接近。由于相對(duì)于輸出，反饋有一個(gè)幅度(增益)和相位，我們可以用增益裕度和相位裕度來(lái)表達(dá)穩(wěn)定性，這里的增益裕度是在相位為180度時(shí)，測(cè)得的相對(duì)于單位增益的增益大小有多大，以及在增益為單位增益時(shí)，相位裕度是如何接近相對(duì)于180度的相位。
相位裕度和增益裕度可以通過(guò)奈奎斯特(Nyquist)圖或波特(Bode)圖來(lái)確定。由于波特圖有一個(gè)容易讀取的頻率范圍，因此是一個(gè)方便的工具，這將在本文中使用。
如果沒(méi)有反饋，圖5所示系統(tǒng)的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)可以表示為：
其中：
ωesr是輸出電容esr產(chǎn)生的零點(diǎn)，ωn是輸出級(jí)的固有頻率，Q是輸出級(jí)的品質(zhì)因數(shù)。
為達(dá)到本文的目的，我們將忽略電容esr零點(diǎn)的貢獻(xiàn)，并重點(diǎn)關(guān)注傳遞函數(shù)的其余極點(diǎn)。也就是說(shuō)，讓我們來(lái)重點(diǎn)關(guān)注傳遞函數(shù)：
這個(gè)方程有兩個(gè)極點(diǎn)。對(duì)于Q<0.5(阻尼情況下)，兩個(gè)極點(diǎn)都是實(shí)數(shù)。對(duì)于Q>0.5(欠阻尼情況下)，兩極為復(fù)共軛。
對(duì)于一階，Q值可以近似表示為：
對(duì)于1V輸出，一個(gè)電感為1μH，一個(gè)電容為100μFd，對(duì)應(yīng)于1安培輸出的Q值為10，對(duì)應(yīng)于10安培輸出的Q值為1，而對(duì)應(yīng)于25安培輸出電流的Q值為0.4。
這個(gè)方程的波特圖的Gfix等于5，ωn等于16000 Hz，所示的幾個(gè)Q值是：10、1和0.4。在這個(gè)波特圖中，顯示了相對(duì)于180度的相位，所以相位裕量可以在增益是單位增益的頻率下通過(guò)觀察相位曲線的值直接讀取。
一個(gè)典型的可接受最低相位裕度為45度。這個(gè)水平可通過(guò)相圖的虛線來(lái)表示。
在三種情況下，單位增益的交叉頻率范圍約為30kHz到40kHz。同樣可以很容易地看出，高Q值(>0.5，欠阻尼)情況下的相位裕度低于45度的限制。由于這個(gè)器件接近邊緣的或甚至不能接受的相位裕度，需要進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)以達(dá)到(更加)穩(wěn)定的情形。
顯示了“Type III”補(bǔ)償，這往往被用在一個(gè)模擬電壓模式控制器反饋回路當(dāng)中。請(qǐng)注意，這里有6個(gè)電路元件、3個(gè)電阻和3個(gè)電容，他們是回路補(bǔ)償所必須的。
這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以為系統(tǒng)響應(yīng)帶來(lái)兩個(gè)實(shí)數(shù)零點(diǎn)、3個(gè)極點(diǎn)(包括在零點(diǎn)的極點(diǎn))。這些零點(diǎn)可用來(lái)補(bǔ)償輸出功率級(jí)(電感器和電容器)的兩個(gè)極點(diǎn)。一個(gè)極點(diǎn)用來(lái)補(bǔ)償電容esr，第二個(gè)極點(diǎn)用來(lái)確保高頻率的低增益。
這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)限制其實(shí)在于它提供了實(shí)數(shù)零點(diǎn)，以補(bǔ)償輸出級(jí)的極點(diǎn)。正如上文已經(jīng)指出的那樣，輸出級(jí)的極點(diǎn)只對(duì)低Q值輸出級(jí)是實(shí)數(shù)。對(duì)于Q>0.5，極點(diǎn)是復(fù)數(shù)，而隨著Q值的增加，實(shí)數(shù)零點(diǎn)在補(bǔ)償復(fù)數(shù)極點(diǎn)方面變得越來(lái)越無(wú)能為力。
數(shù)字控制為補(bǔ)償提供了成熟和復(fù)雜方式的能力，本文將集中于一個(gè)簡(jiǎn)單的PID濾波器，如圖8所示。這個(gè)數(shù)字濾波器采用了誤差信號(hào)，比例信號(hào)之和及比例延遲采樣的誤差信號(hào)，再加上積分輸出實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償器。三個(gè)增益系數(shù)用來(lái)調(diào)整補(bǔ)償。
該濾波器的傳遞函數(shù)通過(guò)下式給出：
其中A、B和C是各抽頭(tap)的增益系數(shù)，分母的第一項(xiàng)為信號(hào)路徑延遲，分母的第二項(xiàng)為加法級(jí)輸出的累加器，T是PWM的開(kāi)關(guān)頻率。
可以看到，這種補(bǔ)償有兩個(gè)零點(diǎn)，一個(gè)極點(diǎn)在零，另一個(gè)極在無(wú)窮大。這兩個(gè)零點(diǎn)可用來(lái)彌補(bǔ)器件輸出級(jí)的兩個(gè)極點(diǎn)。這些零點(diǎn)作為二次方程的解出現(xiàn)在分子中。因此，視A、B和C值的不同，可以有兩個(gè)實(shí)數(shù)零點(diǎn)或一對(duì)復(fù)共軛零點(diǎn)。因此數(shù)字PID補(bǔ)償不僅可以提供與Type III同等的模擬補(bǔ)償，而且也可提供復(fù)數(shù)零點(diǎn)，這更適合補(bǔ)償復(fù)數(shù)極點(diǎn)。
顯示了這兩種補(bǔ)償方法的標(biāo)稱差別。左圖是一個(gè)用采用type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的模擬控制器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娫崔D(zhuǎn)換器的波特圖。雖然實(shí)現(xiàn)了滿意的增益和相位裕量，帶寬不得不大幅度減少。右圖是一個(gè)沒(méi)有采用數(shù)字補(bǔ)償?shù)耐粋(gè)系統(tǒng)的波特圖。請(qǐng)注意，數(shù)字補(bǔ)償器中的復(fù)數(shù)零點(diǎn)最好使用復(fù)數(shù)極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，這不僅可以產(chǎn)生令人滿意的增益和相位裕量，而且還可以通過(guò)單位增益交叉頻率確定一個(gè)令人滿意的帶寬。
因此，數(shù)字補(bǔ)償提供了一個(gè)比模擬補(bǔ)償更好的補(bǔ)償。此外，在使用數(shù)字補(bǔ)償時(shí)，可以省去五六個(gè)元件。最后一點(diǎn)，人們還認(rèn)為數(shù)字補(bǔ)償很容易根據(jù)設(shè)計(jì)的不同而改變，甚至可以隨時(shí)改變。
3. 更高的效率
可以在電源控制器中調(diào)整若干參數(shù)以優(yōu)化效率。在模擬控制器中，這些參數(shù)都是靜態(tài)的，通常為某些點(diǎn)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，盡管人們認(rèn)識(shí)到幾乎沒(méi)有應(yīng)用是運(yùn)行在一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。
數(shù)字控制器可提供更多的優(yōu)勢(shì)，能夠調(diào)整這些參數(shù)，根據(jù)環(huán)境、負(fù)載或元件的條件來(lái)適應(yīng)運(yùn)行。因此，數(shù)字電源可以比模擬提供更高的效率和更好的性能。
為優(yōu)化控制器效率，需要一個(gè)檢測(cè)元件來(lái)確定轉(zhuǎn)換器的相對(duì)損耗。需要相對(duì)損耗的意義在于，我們要知道變更參數(shù)后，是否增加損耗或減少損耗。一個(gè)好的損耗測(cè)量能夠利用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的戴維南(Thevenin)等效電路來(lái)確定，這里的電壓源，如衍生的降壓拓?fù)，是用輸入電壓乘PWM的占空比。在無(wú)損轉(zhuǎn)換器中，戴維南阻抗應(yīng)該為零，輸出可以簡(jiǎn)單地用輸入電壓乘占空比。但是，在有損轉(zhuǎn)換器中，戴維南阻抗的電阻元件均不為零，必須增加占空比來(lái)克服這種損耗，以維持所需的輸出電壓。也就是說(shuō)，在有損耗的情況下，占空比大于無(wú)損的情況。事實(shí)上，損耗越高，占空比也越高。因此，占空比測(cè)量可以被用來(lái)確定轉(zhuǎn)換器中的相對(duì)損耗。如圖10所示，圖中來(lái)自實(shí)際降壓轉(zhuǎn)換器的占空比(5Vin，0.6Vout)是隨負(fù)載電流的變化作為損耗的函數(shù)測(cè)得的。
因此，由于占空比可以作為測(cè)量相對(duì)損耗的方法使用，可以在數(shù)字實(shí)現(xiàn)過(guò)程中改變參數(shù)，并對(duì)占空比的影響情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果占空比增加，則可以在相反的方向調(diào)整參數(shù)，可以減少占空比(和相對(duì)損耗)。
死區(qū)時(shí)間是高側(cè)FET關(guān)斷和低側(cè)FET導(dǎo)通之間的時(shí)間，反之亦然。如果死區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，體二極管導(dǎo)通代表可能會(huì)出現(xiàn)損耗。如果死區(qū)時(shí)間太短，那么就可能發(fā)生交叉導(dǎo)通，也引入了損耗，如圖11所示。
在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，最佳死區(qū)時(shí)間不是固定值。圖12顯示了幾種情況下低側(cè)柵極信號(hào)和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的波形。上圖為60納秒時(shí)的固定死區(qū)時(shí)間。左上圖是電流為1安培的情況，右上圖是20安培負(fù)載電流的情況。請(qǐng)注意，也就是說(shuō)，波形之間的相對(duì)差額在中電壓范圍。還要注意，在20安培情況下，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓中有一些下沖，這表明死區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(導(dǎo)致體二極管導(dǎo)通)。
下圖有12納秒的固定死區(qū)時(shí)間。請(qǐng)注意，在這種情況下，在電流函數(shù)痕跡之間差別不大。因此，理想的死區(qū)時(shí)間可能無(wú)法由一定的電壓波形來(lái)確定。理想的死區(qū)時(shí)間很可能是負(fù)載電流的一個(gè)函數(shù)。請(qǐng)注意，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)沖說(shuō)明有交叉導(dǎo)通，即這種情況說(shuō)明死區(qū)時(shí)間太短。
顯示了分別使用60納秒和28納秒最佳死區(qū)時(shí)間設(shè)置的1安培和20安培的波形。請(qǐng)注意，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的下沖或過(guò)沖較少。
因?yàn)槲覀冎，相?duì)損耗可以通過(guò)占空比測(cè)得，數(shù)字控制可以改變死區(qū)時(shí)間，同時(shí)觀察占空比，從而優(yōu)化了轉(zhuǎn)換器的效率。該算法可優(yōu)化隨負(fù)載變化，以及溫度變化，及器件老化的效率，得到最佳效率。
顯示了使用模擬控制器(下曲線)和使用相同功率傳送元件(FET、電感和電容)的Intersil的數(shù)字控制器(上曲線)的比較。在本例中，數(shù)字方式可以提供5％的效率增益，這代表可以減少超過(guò)25％的損耗。
提高效率的另一個(gè)區(qū)域是當(dāng)平均電流小于紋波電流一半時(shí)，對(duì)低側(cè)FET導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。在同步整流中，低側(cè)FET保持導(dǎo)通，允許電流逆向進(jìn)入電感。這意味著RMS電流比平均電流要高。事實(shí)上，即使沒(méi)有平均電流，RMS電流仍然很高。由于環(huán)流的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)損耗。一種解決方案是改變低側(cè)FET的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)優(yōu)化效率。
顯示了這樣的事實(shí)，如果低側(cè)FET導(dǎo)通時(shí)間太長(zhǎng)，反向電流就會(huì)導(dǎo)致較高的損耗。如果低側(cè)FET的導(dǎo)通時(shí)間太短，則低側(cè)FET體二極管的電流導(dǎo)通。還有一個(gè)優(yōu)化低側(cè)FET計(jì)時(shí)的方法，可以使用如上所述的占空比觀測(cè)技術(shù)確定最佳計(jì)時(shí)。
顯示了利用這項(xiàng)技術(shù)與同步整流相比減少的相對(duì)損耗。在二極管仿真情況下，非常低的電流的急劇變化是由于轉(zhuǎn)換到數(shù)字控制器中脈沖省略模式。
這些例子說(shuō)明了數(shù)字控制在效率方面表現(xiàn)優(yōu)于模擬。
本文小結(jié)
在本文中，我們已說(shuō)明了數(shù)字電源控制優(yōu)于傳統(tǒng)模擬控制的許多方面。雖然數(shù)字控制尚不能完全接管模擬控制的市場(chǎng)，但我們相信，數(shù)字控制大有前途，而設(shè)計(jì)者們會(huì)發(fā)現(xiàn)采用數(shù)字電源控制器的設(shè)計(jì)越來(lái)越得心應(yīng)手。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
