數(shù)字電源控制的優(yōu)勢(shì)及設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著元器件和軟件控制的成本越來越低，數(shù)字電源成為一種常用解決方案，用于在極為復(fù)雜的設(shè)計(jì)中解決控制多個(gè)電壓的難題。 但是，數(shù)字電源也面臨著自身的挑戰(zhàn)，特別是將其添加到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中時(shí)。 此外，數(shù)字控制增加了對(duì)固件開發(fā)的需求，模擬電路設(shè)計(jì)人員過去通常不愿意進(jìn)行這種開發(fā)。

本文將簡(jiǎn)要概述數(shù)字電源控制的優(yōu)勢(shì)，然后定義兩種數(shù)字控制方法。 第一種是“數(shù)字包封”方法，它仍然依賴于模擬穩(wěn)壓器。 第二種是全數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案。 接下來，本文還將介紹如何充分利用最新數(shù)字電源 IC 功能來設(shè)計(jì)穩(wěn)定的電源，提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間、更大的帶寬和更出色的整體性能。

模擬技術(shù)的使用效果很好：為什么要采用數(shù)字技術(shù)?

模擬技術(shù)長(zhǎng)期主宰著開關(guān)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(穩(wěn)壓器)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)簡(jiǎn)單，而且實(shí)現(xiàn)成本很低。 但是，模擬設(shè)計(jì)也有其缺陷，其中一個(gè)明顯問題就是控制回路補(bǔ)償非常復(fù)雜。

數(shù)字設(shè)計(jì)提供了替代方法，特別是在支持?jǐn)?shù)字電源所需的元器件在價(jià)格、尺寸和功耗方面均有所降低的情況下。 數(shù)字元器件讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)﹄娐房刂七M(jìn)行微調(diào)，從而增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)，最大程度地提高能效。

實(shí)際上，問題可能更加復(fù)雜，特別是一家芯片供應(yīng)商對(duì)“數(shù)字電源”的定義可能與其他供應(yīng)商有所不同。 有些供應(yīng)商將該技術(shù)定義為帶有數(shù)字接口的電源解決方案，它可充分利用電源管理總線 (PMBus) 協(xié)議提供的功能，并配合使用“數(shù)字包封”解決方案中的模擬控制回路; 而有些公司則堅(jiān)持認(rèn)為數(shù)字電源是采用微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的全數(shù)字控制回路。

這兩種技術(shù)都有各自的缺陷：如果使用數(shù)字包封技術(shù)，您將仍然面臨控制回路補(bǔ)償?shù)碾y題，這一難題或許正是您一開始想要解決的;而如果使用全數(shù)字解決方案，設(shè)計(jì)人員可能需要進(jìn)行大量編碼工作，才能讓數(shù)字電源系統(tǒng)投入運(yùn)行。 不過，新一代數(shù)字電源控制器和模塊有望同時(shí)解決數(shù)字包封和全數(shù)字解決方案各自的難題。

添加數(shù)字包封

為現(xiàn)有模擬拓?fù)涮砑訑?shù)字電源可以帶來諸多優(yōu)勢(shì)。 其中一大優(yōu)勢(shì)就是可以通過系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 使用 PMBus 協(xié)議簡(jiǎn)化雙向通信。

PMBus 是使用數(shù)字通信總線與電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 PMBus 基于 SMBus 開發(fā)，SMBus 設(shè)計(jì)用于低帶寬設(shè)備通信，PMBus 則用于電源、元器件、電源相關(guān)芯片(例如可充電電池子系統(tǒng))的數(shù)字化管理。

SMBus 本身也是基于內(nèi)部集成電路 (I²C)、串行、單端計(jì)算機(jī)總線的，最初由 Philips 設(shè)計(jì)，用于將低速外圍設(shè)備連接到主板或其它嵌入式系統(tǒng)。 由于這種基礎(chǔ)，PMBus 是一種相對(duì)低速的雙線通信協(xié)議。 但是，與 SMBus 和 I²C 不同，PMBus 定義了大量的域特定命令，而不僅是詳細(xì)規(guī)定如何使用由用戶定義的命令進(jìn)行通信。

2005 年 3 月，PMBus 規(guī)范 1.0 版發(fā)布。 隨后又發(fā)布了經(jīng)過修訂的 1.3 版。 該版本減少了使用高速通信的延遲，還添加了專用的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) (AVS) 總線，用于對(duì)處理器電壓進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制。 該標(biāo)準(zhǔn)由系統(tǒng)管理接口論壇 (SM-IF) 所有，可以免費(fèi)使用。

使用支持 PMBus 的器件進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，可提供傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的靈活性和控制能力。 在設(shè)計(jì)中采用數(shù)字電源，我們可以通過使用 PMBus 協(xié)議的主控制器，輕松管理輸出電壓的調(diào)節(jié)、電源定序、多電壓軌的同步(圖 1)。

圖 1：通過使用 PMBus 協(xié)議的 SMBus 進(jìn)行雙向通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電源器件的配置、控制和監(jiān)視。 (：Intersil)

此外，通過使用 SMBus 和 PMBus，我們可以輕松為電源管理系統(tǒng)添加新的電壓軌。 既無需重新編程，也不必添加更多獨(dú)立電源管理 IC，電壓軌的添加非常方便，而且可以輕松集成到監(jiān)控、定序、裕量和故障檢測(cè)方案中。

市面上有很多可通過數(shù)字方式配置和控制的開關(guān)穩(wěn)壓器。 例如，Microchip 的 MIC24045 就是一款可進(jìn)行數(shù)字編程的 5 A 同步降壓 (“buck”) 穩(wěn)壓器，輸入范圍為 4.5 V 至 19 V，適用于多電壓軌應(yīng)用。 各種參數(shù)可通過 I2C 進(jìn)行編程，例如輸出電壓、開關(guān)頻率、軟啟動(dòng)斜率、裕量、限流值和啟動(dòng)延遲。 此外，MIC24045 還可通過 I2C 接口提供診斷和狀態(tài)信息。

雖然 SMBus 和 PMBus 為適當(dāng)連接的模擬電源提供了數(shù)字配置、控制和監(jiān)控方面的便利性和靈活性，但這種數(shù)字包封解決方案缺少全數(shù)字控制，因而無法實(shí)現(xiàn)該方法的全部?jī)?yōu)勢(shì)。 連接到總線的每個(gè)模擬器件根據(jù)其自身的控制回路工作，回路決定了器件的穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)，進(jìn)而決定其他某些因素，例如電源能夠以多快速度對(duì)負(fù)載的快速變化做出響應(yīng)。 (請(qǐng)參閱資料庫文章《了解開關(guān)穩(wěn)壓器控制回路響應(yīng)》。)

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要修改模擬電源的控制回路，通過添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)。 這項(xiàng)工作會(huì)讓很多缺乏經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)人員望而生畏。 但是，我們可以通過轉(zhuǎn)而使用全數(shù)字解決方案，來避免這項(xiàng)工作。

最大限度地發(fā)揮全數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)

全數(shù)字解決方案的實(shí)現(xiàn)不僅要使用由 SMBus 和 PMBus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)的數(shù)字配置、控制和監(jiān)視功能，還要為連接到總線的各個(gè)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制回路。

數(shù)字控制的原理非常簡(jiǎn)單。 在模擬穩(wěn)壓器中，控制回路的基本工作方式就是比較實(shí)際輸出電壓與所需輸出電壓之間的誤差。 而在數(shù)字穩(wěn)壓器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可將誤差電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。 此轉(zhuǎn)換的精度取決于 ADC 的分辨率，但即便分辨率不太高，其結(jié)果也很可能比模擬比較器的測(cè)量結(jié)果更加精確。 ADC 的分辨率越高，穩(wěn)壓器的控制就越好。

除了 ADC 之外，還使用比例積分微分 (PID) 處理器來替代模擬器件的補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)。 PID 處理器是在很多閉環(huán)控制流程中使用的智能器件。 PID 處理器通過持續(xù)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器的數(shù)字脈寬調(diào)制器 (PWM) 芯片產(chǎn)生的脈沖串的占空比，使用數(shù)字誤差電壓讀數(shù)來校正穩(wěn)壓器的輸出。 PID 處理器必須承擔(dān)補(bǔ)償控制回路周圍的增益和相移因素的任務(wù)，正如補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)在模擬器件中所做的那樣。

與模擬 PWM 相同，數(shù)字 PWM 也會(huì)產(chǎn)生可變寬度驅(qū)動(dòng)脈沖，但其方法是先“計(jì)算”形成方波輸出信號(hào)的開關(guān)周期的預(yù)期持續(xù)時(shí)間，然后再按此時(shí)間進(jìn)行“定時(shí)”。 相反，模擬 PWM 的工作方式是在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)觸發(fā)開啟，當(dāng)固定電壓“斜坡”達(dá)到預(yù)設(shè)的跳閘電壓時(shí)觸發(fā)關(guān)閉。

與模擬穩(wěn)壓器相比，數(shù)字穩(wěn)壓器由于基準(zhǔn)電壓精度高，且到比例積分微分 (PID) 處理器的 ADC 輸出更新頻率快，因此會(huì)顯著增強(qiáng)輸出電壓的穩(wěn)定性和精確度。 圖 2 對(duì)等效模擬開關(guān)穩(wěn)壓器和數(shù)字穩(wěn)壓器的框圖進(jìn)行了比較。

(有關(guān)數(shù)字電源控制的更詳細(xì)說明，請(qǐng)參閱資料庫文章《DC/DC 穩(wěn)壓數(shù)字控制的興起》。)

圖 2：模擬開關(guān)穩(wěn)壓器(頂部)通常需要設(shè)計(jì)繁瑣的補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)，以確保器件保持穩(wěn)定，同時(shí)提供良好的帶寬、相位裕量和增益裕量。 在數(shù)字穩(wěn)壓器(底部)中，這項(xiàng)工作則由 PID 處理器完成。