數(shù)字技術在開關電源控制中的應用和發(fā)展

中心議題：

• 數(shù)字技術在開關電源控制中的應用和發(fā)展
• 一種新穎的電源控制技術

解決方案：

• 通過外接A/D轉換進行采樣

• 通過DSP對電源實現(xiàn)直接控制

1.前言

隨著電力電子技術的高速發(fā)展，開關電源得到了廣泛應用，而日新月異的高科技產品也對開關電源提出了更高的要求。開關電源的模擬控制技術也發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但其無法克服固有的缺點：控制電路復雜，元器件比較多，不利于小型化的發(fā)展；控制電路一旦成型，很難修改，調試不方便；控制不靈活，復雜的控制方法也難以用模擬方法實現(xiàn)。

2. 數(shù)字控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)在實現(xiàn)開關電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：第一種是單片機通過外接A/D轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數(shù)據進行運算和調節(jié)，再把結果通過D/A轉換后傳到PWM芯片中，實現(xiàn)單片機對開關電源的開關電源間接控制（如下圖所示）。如下圖所示這種方法的技術目前已經比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個芯片，電路比較復雜；單片經過A/D和D/A轉換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有單片機集成了PWM輸出，但開關電源往高頻化發(fā)展，一般單片機的時鐘頻率有限，產生的PWM輸出頻率和精度反比，無法產生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。第二種是通過高性能數(shù)字芯片如DSP對電源實現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成信號采樣AD轉換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM信號功率不足以驅動開關管，需通過一個驅動芯片進行開關管的驅動。這樣就可以簡化控制電路的設計，由于而這些芯片有比較高的采樣速度（TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成一次AD轉換只需500ns，最快的8位單片機也要最快也要幾微秒）和運算速度，可以快速有效的實現(xiàn)各種復雜的控制算法，實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。但是DSP芯片結構復雜，成本比較高；而且DSP控制技術比較難掌握，對設計者要求比較高，在開關電源領域中難以廣泛應用。目前DSP技術已經在開關電源中開始應用，但主要局限在對電源性能要求高的而且價格比較昂貴的領域上。

3.一種新穎的電源控制技術

數(shù)字控制的開關電源不可避免地存在以下問題：AD轉換器的速度和精度成反比。為了保證開關電源有較高的穩(wěn)壓精度，AD轉換器是必須有比較高精度的采樣，但高精度的采樣需要的AD轉換時間更長。作為反饋環(huán)路的一部分，AD轉換時間過長必然造成額外的相位延遲時間。除了和模擬控制存在的相位延遲以后，轉換過程的延遲時間必然也會造成額外相位滯后，使得回路的響應能力變差。和模擬芯片用RC補償進行PI調節(jié)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節(jié)的方法以提高控制回路的響應能力，這種做法需要占有數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因為數(shù)字控制和模擬控制不同，信號采樣不是連續(xù)不斷的，而是離散的，兩次采樣之間有一段間隔時間，這段時間的值是無法得到的。要實現(xiàn)精確的控制，每次采樣之間的時間間隔不能太長，即采樣頻率不能太低。作為數(shù)字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會被送到系統(tǒng)的中央運算處理器中，然后由處理器對采樣的值進行運算和PI調節(jié)。在采樣頻率比較高的時候，這種做法比較耗費系統(tǒng)資源，對數(shù)字芯片的要求也比較高。由于目前專門用于電源控制的數(shù)字芯片還比較少，在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片，其運算和采樣速度快，功能強大，但價格比較高。而且DSP芯片不是專門的電源控制芯片，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高。

隨著數(shù)字芯片和電源技術的發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了為電源控制而開發(fā)出來的控制處理器，它不同于數(shù)字芯片的中央處理器?？刂铺幚砥髦饕筛咚貯D轉換器，數(shù)字PID補償器和數(shù)字PWM輸出三部分組成。反饋環(huán)路的控制由它來完成，中央處理器作為管理模塊應用在電源上。其原理圖如圖3所示：

控制處理器由高速A/D轉換器，數(shù)字PID補償器和數(shù)字DPWM輸出組成。外部存儲器記錄了控制處理器的相關程序。高速A/D轉換器是基于CMOS的傳輸延遲時間td 影響輸入電壓VDD的原理做成的，VDD電壓和傳輸時間是成近似的反比例關系，即VDD越大，信號傳輸延遲時間越小。如圖2所示，以CMOS的輸入電壓VDD作位采樣電壓的輸入口，各信號之間的傳輸時間延時td受采樣電壓VDD影響。第四分之三個采樣周期過后采樣結束位產生高電平，開始記錄q1到q8的輸出，把得到的結果送入編碼器得到數(shù)字輸出e，完成A/D轉換。如圖2b所示，數(shù)字采樣值為11111100.VDD越大，td越小得到的采樣值越大。

而傳統(tǒng)的ADC轉換器時通過有源器件建立采樣信號的，需要一個信號建立時間，而要進行高精度的采樣則需要更長的信號建立時間。采用新的技術大大降低了AD轉換需要的時間，可以達到MHz級采樣頻率。高采樣頻率可以使DPWM的信號的更新速度達到幾百納秒一次，實現(xiàn)和模擬控制類似通過不斷更新PWM信號來進行穩(wěn)壓。不需要像傳統(tǒng)的ADC采樣那樣，在有限的采樣頻率內通過提高AD轉換精度和PWM分辨率，降低開關頻率來提高穩(wěn)壓精度。DPWM時鐘由處理器系統(tǒng)時鐘通過鎖相邏輯環(huán)路（PLL）進行倍頻后頻率可以達到200MHz.通過這種分辨率高達5ns的DPWM控制信號，電源開關頻率可以達到1MHz.數(shù)字補償器為電源設計提供很大的靈活性，控制參數(shù)通過外部存儲器的程序來設定，可以通過編程來改變控制策略，調試更方便。由于芯片是專門為電源設計開關，簡化了結構，降低了成本。相信這種專門為電源設計開發(fā)的控制處理器將會得到廣泛使用。

目前使用這種控制技術的芯片還比較少，Silicon Labs的Si8250就是其中一款[3].Si8250采用雙處理器的方法，所有的通信和管理任務由系統(tǒng)管理處理器來完成，而控制處理器負責反饋的環(huán)路控制。系統(tǒng)控制環(huán)路由一個6位采樣頻率為10MHz的AD轉換器，可以每隔100ns更新一次數(shù)字PWM輸出信號，以達到更好的穩(wěn)壓效果。在而數(shù)字PID補償器里面分別為P，I，D的系數(shù)KP，KI和KD提供寄存器，只要改變這些系數(shù)的值就可以改變PID控制策略。PID的值通過寄存器設定，習慣進行模擬控制芯片設計的工程師也容易掌握。提供六路相位不同的數(shù)字PWM輸出，可以用比較簡單的方法實現(xiàn)移相控制等多中控制方法。數(shù)字PWM的時鐘頻率在25MHz，50MHz和200MHz中選擇，分辨率高達5ns.可以使開關頻率達到100MHz.

4 結語

和模擬控制相比，數(shù)字控制有著明顯的優(yōu)勢。但由于目前大部分數(shù)字芯片并不能完全滿足開關電源的要求，而能達到要求的昂貴的DSP芯片又過于昂貴，所以數(shù)字控制技術在電源領域中的應用并不廣泛。隨著控制處理器技術的提出，用于電源控制的數(shù)字芯片的出現(xiàn)，數(shù)字控制技術在開關電源中必將得到更廣泛的使用。