实现可靠的高性能数字电源(1)

  如今对数字电源的性能、效率和功率密度设定了极高的标准。本文将阐述可供设计人员采 纳以实现上述目标的实践技巧。首先讨论如何选择合适的硬件架构。文中还将展示数字信 号控制器（Digital Signal Controller，DSC）如何帮助实现大量数字电源转换拓扑结构 和控制方案，以满足对当今数字电源在效率方面的高要求。还将就脉宽调制（Pulse[1]Width-Modulation，PWM）开关速度、模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC） 转换速率和模拟比较器功能对系统性能的影响进行探讨。文中将给出几种现代开关电源 （Switch-mode Power Supply，SMPS）的拓扑结构，来说明如何构造外设和设计控制方案 来优化数字电源转换。

简介

        诸如 AC 至 DC 和 DC 至 DC SMPS 等传统电源产品均采用了一种模拟控制回路来对 PWM 模块、 集成电路（Integrated Circuit，IC）和功率器件进行基本控制，并在这一基础上添加了 由单片机执行的数字信号控制和通信功能。但是，在数字电源中，模拟控制回路被数字控 制回路所取代，并且 PWM 模块通常集成在执行高级控制和通信的同一颗单片机中。 为了更好地理解数字电源的架构选择和关键性能参数，最好先搞清楚使用数字回路的好处。 通过采用数字回路控制来实现电源转换，可使开发人员的设计和业务大大受益。通过可再 编程软件执行电源转换控制的功能以及 DSC 解决方案的性能和功能正是这些益处产生的原 因。

以下是使用数字回路的诸多好处：
一. 增加了功率密度
      通过减少元件数量和缩小元件尺寸来缩小系统尺寸；

二.加快了上市时间，简化了生产过程 
     使用更少的元件实现功能丰富的设计；
     由 DSC 软件执行功率因数校正 ；
     降低因元件容差/参数漂移而引起的设计复杂度 ；
     利用软件以更少的硬件平台支持各种各样的最终产品；
     消除了生产线调整——无元件容差问题；
     允许下生产线后进行配置（负载限制和通信协议等）；
     提高了自测功能，简化和加快了产品测试；

三.新的高性价比特性
     适应变化的负载（容性、感性、阻性和电流需求）；
     更好的瞬态响应规范 —— 不仅限于线性技术；
     管理电压的变化，避免元件参数超出规范限定；

四.增加了可靠性
     限制电源的工作参数不会超出规范限定；
     元件数量的减少有助于可靠性的提高；
     成本较低的冗余选项；

五.保护知识产权（Intellectual Property，IP）
     由存储在受保护闪存中的软件实现关键的创新 IP；

数字回路结构

     许多不同的电源转换拓扑结构均可通过使用现代 DSC 技术的数字回路控制实现。
      图 1 描绘 了一个已大大简化的控制电源转换的数字回路结构示例。

       虚线框内的所有组件均包含在 DSC 内。要实现数字回路，首先必须使用 ADC 对模拟信号进 行转换。本例中，运行在 DSC 中的软件对采样进行处理以执行控制电源所必需的电压和电 流控制回路。这些回路的执行结果随后被用来控制片上数字 PWM 模块，由该模块直接控制 功率器件。目前基本的数字控制回路功能通常是由运行在 DSC 中的软件实现的，软件执行 的是定点算术运算。 DSC 的内部架构集单片机和数字信号处理器（ Digital Signal Processor，DSP）的功能于一身。DSC 中的 DSP 部分执行基本的算术运算以实现数字电源 转换的控制算法。例如，某些专用于数字电源转换的 DSC 内部具有 16 位的定点 DSP 引擎。 目前已经讨论了实现数字电源转换所需的基本组件，文中后续部分还将对其进行详细研究。 但现在我们首先要考虑的是对实现可靠而经济有效的转换器至关重要的实际问题。 要达到可靠、高效且功率密度大的目标，用于数字电源转换的 DSC 自身必须能提供实现转 换所必需的绝大多数组件。这一点很重要，因为如果数字电源设计方案需要许多外部支持 芯片的话，这三个目标将会受到影响。

       图 2 是配备有实现可靠的高性能数字电源转换所必需的组件的 DSC 示例的基本框图。有助 于减少元件数量和增加电源可靠性的特定外设和功能有：

1. 内部数字 PWM。用于数字电源转换的 DSC 应具有一个专为驱动电源转换电桥而设计 的高速数字 PWM。
2. 内部 ADC。数字电源转换需要 DSC 带有一个具有特殊触发和采样/保持功能的高性能 ADC。
3.  内部模拟比较器。片内模拟比较器有助于实现特定的高速控制算法，如限流算法。 比较器应在内部与数字 PWM 模块相连并配备有可编程内部参考电压模块。
4.  内部电源管理。DSC 内部的电源管理子系统提供欠压复位和上电复位功能，以及允 许 DSC 实现单电源供电的内部电压。
5.  内部高精度 RC 振荡器。该高精度 RC 振荡器和内部锁相环（Phase Locked Loop， PLL）电路提供驱动处理器和高速外设所需的所有时钟信号。
6.  内部通信外设。器件应具有与系统中其他部分通信所必需的通信外设。
7.  内部闪存和 RAM。器件必须包含运行软件所需的内部存储器。一般来说，具备闪存 而不是 ROM 很重要，因为闪存可存储专为各种最终产品而编写的数字电源转换软件， 使软件具有充分的灵活性。
8.  小尺寸。DC 至 DC 的应用对空间有一定的限制，因此 DSC 必须以小封装形式提供。
9.  扩展级温度。对于许多高功率密度应用，电源的工作温度较高，这就要求 DSC 可承 受更大的温度范围。

      在研究数字电源转换设计时，设计人员还必须考虑为控制电路和 DSC 本身供电的辅助电源。 图 2 中的 DSC 支持单输入电压并且具备必需的电源管理功能，从而简化了辅助电源电路， 提高了可靠性。 在诸如 AC 至 DC 转换器的某些应用中，器件可执行 AC 至 DC 转换控制以及诸如功率因数校 正（Power Factor Correction，PFC）等功能。支持增加诸如 PFC 等功能的数字 PWM 功能 模块是 PWM 互补输出对的独立时基。通过使用“备用”PWM 信号和运行在 DSC 上的软件即 可实现上述功能，无需外部 PFC 芯片，从而进一步增加了电源的可靠性。
      本文的下一节将深入研究实现数字控制回路的特定方面以及所需的 ADC、数字 PWM 和比较 器的特性。