开关电源的数字控制实现方案

1、 第 1 页 共 4 页 开关电源的数字控制实现方案开关电源的数字控制实现方案 尽管业内不少人都认为， 模拟和数字技术很快将争夺电源调整器件控制的主导权，但实际状况是，在反馈回路控制方面，这两种技术看起来正开心地共存着。 确实， 许多供给商都提供了不同的计划。 一些数字控制最初的可编程优势现在甚至在采纳模拟反馈回路的控制器和稳压器中也有了。 固然， 数字电源还是有一些吸引人之处。 本文主要研究脉冲宽度调制()、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，假如它们提供

2、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 显示了两种最频繁的 pwm 开关拓朴布局的变幻，降压和升压(buck/boost)转换器。在同步配置中，其次只晶体管将取代。在某种意义上来讲，脉冲宽度调制的采纳使得这些转换器“准数字化”，起码可与基于一个串联旁路元件的 723 型线性稳压器相比。实际上，pwm使得采纳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。 不管采纳模拟还是数字技术，都有两种方式实现反馈回路：模式和模式。容易起见，首先考虑它在模拟域中如何实现。 图 1: 没有控制器的开关模式

3、 dc-dc 电源非常容易。不论用于升压还是降压，其胜利与否取决于设计者如何支配一些基本的元器件。 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斜坡信号相比较的小误差信号(图 2)，当电路输出电压变幻时，误差电压也产生变幻，后者反过来转变的门限值。反过来，这将使输出信号宽度发生变幻。这些脉冲控制稳压器开关晶体管的导通时光。随着输出 第 2 页 共 4 页 电压上升，脉冲宽度将变小。 图 2: 电压模式反馈(本例中在模拟域)包含一个控制回路。 电流模式控制的一个优势在于其管理电流的能力。 一个采纳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

4、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光，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)。 图 3: 电流模式反馈采纳了嵌套反馈回路。与电压模式不同，它需要计入电感上的电流。 在这些控制拓朴中，在回路的相移达到 360的随意频率处，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、和其它有源元件的附加延迟、以及由和电感(特殊是输出的大电容)引入的延迟。 稳定回路要求对一定频率

5、范围内的增益变幻和相移举行补偿。 传统上，采纳模拟 pwm 来稳定电源通常需要采纳阅历办法：你在一块与生产型电路板相同布局的实际电路板上，试验各种无源器件的不同组合，并观看在电源电压和负载需求变幻时的电路时光域响应。最近，事情已变得很容易。由于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 数字控制的最好说明是由 artesyn 公司的 geof potter 撰写的开关电源转换器的数字控制介绍白皮书，它可在上找到。 第 3 页 共 4 页 该白皮书描述了电压模式控制拓朴， 但它也研究了电流模式。 大多数电压模式控制的数字

6、实现计划包括了模数转换器()、 实现一些控制算法的微控制器或、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)。 图 4: 电压模式控制的数字实现消退了锯齿产生器。在其他方面，它们与模拟实现紧密对应。 首先，adc 产生馈入控制器的一系列输出电压的数字表示。控制算法是人们所认识的比例积分(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。 比例系数是与敏捷度相关的增益因子。 整数系数根据错误浮现的时光长短来调整 pwm 的占空比。 诱导

7、系数补偿回路的时光延迟(相位更有效)。 综合起来， pid 算法的各个系数打算了系统的频率响应。 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光(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。 注重模拟和数字控制计划管理开关晶体管的不同。模拟控制器在时钟升高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光。 理论上，模拟控制可以提供延续精度的输出电压。但 adc 精度和采样率的交互作用再加上 dp

8、wm 开关速率，使事情变得有些复杂。 例如，dpwm 必需具有比 adc 更高的精度。否则，adc 输出的 1-lsb 变幻就可能导致 dpwm 使输出电压变幻大于 1-lsb。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，避开循环也不是轻而易举的。这是由于要提供 dpwm 更高的精度就意味着必需提高其脉冲速率(脉冲速率打算了在任一给定时光段能 第 4 页 共 4 页 够产生多少比特)。然而，dpwm 脉冲速率限制了它对全部来自控制器的比特举行压缩的时光。 artesyn 白皮书中的例子介绍了一个假设的具有1mhz 开关速率和 10 位 adc 的 dp

9、wm。计算显示，调制器要求超过 1 ghz的脉冲速率。 固然， 如此的高速度是不切实际的， 因此数字控制器的设计者必需找到另一种替代解决计划。一种计划是引入一些 dpwm 时钟颤动。稳压器输出过滤器对馈入的任一脉冲串举行平均， 这使对每个 mth 输出脉冲的宽度举行相当于 1 lsb 的调节成为可能。 这将脉冲串的平均值增强或降低了 1 lsb 精度的 1/m 倍。 假如在控制器输入端的 1-lsb 使输出脉冲串平均变幻 10mv，这将使每四个脉冲缩短相应于 10 mv 的时光，那么通过滤波器的平均输出电压将降低 10mv/4或 2.5mv。 替代解决办法 尽管几乎全部数字控制器采纳 adc 和程序存储控制器， 但这并不是唯一可能的解决计划。去年，zilker labs 注重到，达到最新 pentium 级处理器所要求的阶跃响应(每毫微秒数百安)，要求在控制器中采纳相当快同时对功率消耗量大的 dsp。 作为一种较低功耗的替代计划， 该公司推出了一款基于比较器(而不是adc)和状态机(而不是程序存储解决计划)的控