開關電源的數字控制實現方案
發布時間:2007/4/23 0:00:00 訪問次數:529
的確，許多電源管理供應商都提供了不同的方案。一些數字控制最初的可編程優勢現在甚至在采用模擬反饋回路的控制器和穩壓器中也有了。當然，數字電源還是有一些吸引人之處。
本文主要討論脈沖寬度調制(PWM)、脈沖密度調制(PDM)和脈沖頻率調制(PFM)開關穩壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實際開關的一個或多個晶體管的驅動器，另一些則沒有。還有一些甚至集成了開關FET，如果它們提供合適的負荷的話。因此，數字還是模擬的問題取決于穩壓器的控制回路如何閉合。
圖1顯示了兩種最常見的PWM開關拓樸布局的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉換器。在同步配置中，第二只晶體管將取代二極管。在某種意義上來講，脈沖寬度調制的采用使得這些轉換器“準數字化”，至少可與基于一個串聯旁路元件的723型線性穩壓器相比。事實上，PWM使得采用數字控制回路成為可能。不過，圖1中的轉換器缺少控制一個或幾個開關占空比的電路，它可在模擬或數字域中實現。
不管采用模擬還是數字技術，都有兩種方式實現反饋回路：電壓模式和電流模式。簡單起見，首先考慮它在模擬域中如何實現。
| 圖1: 沒有控制器的開關模式DC-DC電源十分簡單。不論用于升壓還是降壓，其成功與否取決于設計者如何安排一些基本的元器件。 |
在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個與振蕩器斜坡信號相比較的小誤差信號(圖2)，當電路輸出電壓變化時，誤差電壓也產生變化，后者反過來改變比較器的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發生變化。這些脈沖控制穩壓器開關晶體管的導通時間。隨著輸出電壓升高，脈沖寬度將變小。
| 圖2: 電壓模式反饋(本例中在模擬域)包含一個控制回路。 |
電流模式控制的一個優勢在于其管理電感電流的能力。一個采用電流模式控制的穩壓器具有一個嵌套在一個較慢的電壓回路中的電流回路。該內回路感應開關晶體管的峰值電流，并通過一個脈沖一個脈沖地控制各晶體管的導通時間，使電流保持恒定。
與此同時，外回路感應直流輸出電壓，并向內回路提供一個控制電壓。在該電路中，電感電流的斜率生成一個與誤差信號相比較的斜坡。當輸出電壓下跌時，控制器就向負載提供更大的電流(圖3)。
| 圖3: 電流模式反饋采用了嵌套反饋回路。與電壓模式不同，它需要計入電感上的電流。 |
在這些控制拓樸中，在回路的相移達到360°的任意頻率處，控制回路的增益不能超過1。相移包括了將控制信號饋入反饋運放的倒相輸入端所產生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。
穩定回路要求對一定頻率范圍內的增益變化和相移進行補償。傳統上，采用模擬PWM來穩定電源通常需要采用經驗方法：你在一塊與生產型電路板相同布局的實際電路板上，實驗各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負載需求變化時的電路時間域響應。最近，事情已變得很簡單。因為現在模擬控制器公司在其自己的型號產品上實現了首先在數字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個值”的功能。
數字控制回路
開關電源數字控制的最好解釋是由Artesyn公司的Geof Potter撰寫的《開關電源轉換器的數字控制介紹》白皮書，它可在www.astecpower.com/whitepaper/dcdc/上找到。
該白皮書描述了電壓模式控制拓樸，但它也討論了電流模式。大多數電壓模式控制的數字實現方案包括了模數轉換器(ADC)、實現一些控制算法的微控制器或DSP、以及一個數字脈沖寬度調制器(DPWM)，該DPWM拾取控制器輸出并產生驅動執行開關動作的一個或幾個晶體管所需的信號(圖4)。
| 圖4: 電壓模式控制的數字實現消除了鋸齒產生器。在其他方面，它們與模擬實現緊
的確，許多電源管理供應商都提供了不同的方案。一些數字控制最初的可編程優勢現在甚至在采用模擬反饋回路的控制器和穩壓器中也有了。當然，數字電源還是有一些吸引人之處。 本文主要討論脈沖寬度調制(PWM)、脈沖密度調制(PDM)和脈沖頻率調制(PFM)開關穩壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實際開關的一個或多個晶體管的驅動器，另一些則沒有。還有一些甚至集成了開關FET，如果它們提供合適的負荷的話。因此，數字還是模擬的問題取決于穩壓器的控制回路如何閉合。 圖1顯示了兩種最常見的PWM開關拓樸布局的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉換器。在同步配置中，第二只晶體管將取代二極管。在某種意義上來講，脈沖寬度調制的采用使得這些轉換器“準數字化”，至少可與基于一個串聯旁路元件的723型線性穩壓器相比。事實上，PWM使得采用數字控制回路成為可能。不過，圖1中的轉換器缺少控制一個或幾個開關占空比的電路，它可在模擬或數字域中實現。 不管采用模擬還是數字技術，都有兩種方式實現反饋回路：電壓模式和電流模式。簡單起見，首先考慮它在模擬域中如何實現。
在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個與振蕩器斜坡信號相比較的小誤差信號(圖2)，當電路輸出電壓變化時，誤差電壓也產生變化，后者反過來改變比較器的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發生變化。這些脈沖控制穩壓器開關晶體管的導通時間。隨著輸出電壓升高，脈沖寬度將變小。
電流模式控制的一個優勢在于其管理電感電流的能力。一個采用電流模式控制的穩壓器具有一個嵌套在一個較慢的電壓回路中的電流回路。該內回路感應開關晶體管的峰值電流，并通過一個脈沖一個脈沖地控制各晶體管的導通時間，使電流保持恒定。 與此同時，外回路感應直流輸出電壓，并向內回路提供一個控制電壓。在該電路中，電感電流的斜率生成一個與誤差信號相比較的斜坡。當輸出電壓下跌時，控制器就向負載提供更大的電流(圖3)。
在這些控制拓樸中，在回路的相移達到360°的任意頻率處，控制回路的增益不能超過1。相移包括了將控制信號饋入反饋運放的倒相輸入端所產生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。 穩定回路要求對一定頻率范圍內的增益變化和相移進行補償。傳統上，采用模擬PWM來穩定電源通常需要采用經驗方法：你在一塊與生產型電路板相同布局的實際電路板上，實驗各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負載需求變化時的電路時間域響應。最近，事情已變得很簡單。因為現在模擬控制器公司在其自己的型號產品上實現了首先在數字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個值”的功能。 數字控制回路 開關電源數字控制的最好解釋是由Artesyn公司的Geof Potter撰寫的《開關電源轉換器的數字控制介紹》白皮書，它可在www.astecpower.com/whitepaper/dcdc/上找到。 該白皮書描述了電壓模式控制拓樸，但它也討論了電流模式。大多數電壓模式控制的數字實現方案包括了模數轉換器(ADC)、實現一些控制算法的微控制器或DSP、以及一個數字脈沖寬度調制器(DPWM)，該DPWM拾取控制器輸出并產生驅動執行開關動作的一個或幾個晶體管所需的信號(圖4)。 |
公網安備44030402000607
