實現可靠的高性能數字電源

引言

諸如AC至DC和DC至DC SMPS等傳統電源產品均采用了一種模擬控制回路來對PWM模塊、集成電路(開關電源)和功率器件進行基本控制，并在這一基礎上添加了由單片機執行的數字信號控制和通信功能。但是，在數字電源中，模擬控制回路被數字控制回路所取代，并且PWM模塊通常集成在執行高級控制和通信的同一顆單片機中。
 
圖 1   數字回路結構示例
 
圖 2   用于數字電源轉換的DSC示例框圖

為了更好地理解數字電源的架構選擇和關鍵性能參數，最好先搞清楚使用數字回路的好處。通過采用數字回路控制來實現電源轉換，可使開發人員的設計和業務大大受益。通過可再編程軟件執行電源轉換控制的功能以及DSC(數字信號控制器)解決方案的性能和功能正是這些益處產生的原因。以下羅列了使用數字回路的好處：

.增加了功率密度
-通過減少元件數量和縮小元件尺寸來縮小系統尺寸
.加快了上市時間，簡化了生產過程
-使用更少的元件實現功能豐富的設計
-由DSC軟件執行功率因數校正
-降低因元件容差/參數漂移而引起的設計復雜度
-利用軟件以更少的硬件平臺支持各種各樣的最終產品
-消除了生產線調整—無元件容差問題
-允許下生產線后進行配置(負載限制和通信協議等)
-提高了自測功能，簡化和加快了產品測試
.新的高性價比特性
-適應變化的負載(容性、感性、阻性和電流需求)
-更好的瞬態響應規范 —不僅限于線性技術
-管理電壓的變化，避免元件參數超出規范限定
.增加了可靠性
-限制電源的工作參數不會超出規范限定
-元件數量的減少有助于可靠性的提高
-成本較低的冗余選項
.保護知識產權
-由存儲在受保護閃存中的軟件實現關鍵的創新IP。

數字回路結構

許多不同的電源轉換拓撲結構均可通過使用現代DSC技術的數字回路控制實現。圖1描繪了一個已大大簡化的控制電源轉換的數字回路結構示例。
虛線框內的所有組件均包含在DSC內。要實現數字回路，首先必須使用ADC對模擬信號進行轉換。本例中，運行在DSC中的軟件對采樣進行處理以執行控制電源所必需的電壓和電流控制回路。這些回路的執行結果隨后被用來控制片上數字PWM模塊，由該模塊直接控制功率器件。目前基本的數字控制回路功能通常是由運行在DSC中的軟件實現的，軟件執行的是定點算術運算。DSC的內部架構集單片機和數字信號處理器(DSP)的功能于一身。DSC中的DSP部分執行基本的算術運算以實現數字電源轉換的控制算法。例如，某些專用于數字電源轉換的DSC內部具有16位的定點DSP引擎。

我們首先要考慮的是對實現可靠而經濟有效的轉換器至關重要的實際問題。

要達到可靠、高效且功率密度大的目標，用于數字電源轉換的DSC自身必須能提供實現轉換所必需的絕大多數組件。這一點很重要，因為如果數字電源設計方案需要許多外部支持芯片的話，這三個目標將會受到影響。

圖2是配備有實現可靠的高性能數字電源轉換所必需的組件的DSC示例的基本框圖。有助于減少元件數量和增加電源可靠性的特定外設和功能有：
1.  內部數字PWM。用于數字電源轉換的DSC應具有一個專為驅動電源轉換電橋而設計的高速數字PWM。
2.  內部ADC。數字電源轉換需要DSC帶有一個具有特殊觸發和采樣/保持功能的高性能ADC。
3.  內部模擬比較器。片內模擬比較器有助于實現特定的高速控制算法，如限流算法。比較器應在內部與數字PWM模塊相連并配備有可編程內部參考電壓模塊。
4.  內部電源管理。DSC內部的電源管理子系統提供欠壓復位和上電復位功能，以及允許DSC實現單電源供電的內部電壓。
5.  內部高精度RC振蕩器。該高精度RC振蕩器和內部鎖相環(PLL)電路提供驅動處理器和高速外設所需的所有時鐘信號。
6.  內部通信外設。器件應具有與系統中其他部分通信所必需的通信外設。
7.  內部閃存和RAM。器件必須包含運行軟件所需的內部存儲器。一般來說，具備閃存而不是ROM很重要，因為閃存可存儲專為各種最終產品而編寫的數字電源轉換軟件，使軟件具有充分的靈活性。
8. 小尺寸。DC至DC的應用對空間有一定的限制，因此DSC必須以小封裝形式提供。
9.  擴展級溫度。對于許多高功率密度應用，電源的工作溫度較高，這就要求DSC可承受更大的溫度范圍。