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作者: admin 时间: 2014-10-11 13:05
标题: 电源转换应用中数字反馈回路的益处
Advantages of a Digital Feedback Loop in Power-Conversion Applications

作者：Microchip Technology Inc.数字信号控制器部门架构及应用产品顾问级架构师 Bryan Kris

      市场因素正在推动智能电源的发展，包括电源的外部控制和生产中的软件配置。实现上述目标的方法之一就是在电源转换回路中采用数字反馈控制。电源设计人员已经在智能电源中采用了单片机（MCU）来实现通信、监视、控制和诸如上电时序、软启动和拓扑控制等确定性功能。但是，就在不久前，由于没有合适的兼具成本效率的技术，对电源转换回路进行完全的数字控制仍不可能。包含专用外设的数字信号控制器（DSC）的出现才使得完全的数字控制成为可能。

DSC使能数字反馈回路

      设计人员常常会问，有这么多廉价的专用模拟脉宽调制（PWM）控制器，为什么要选择使用DSC来进行数字反馈控制呢？DSC提供新的控制方法和电源转换拓扑，而这些方法和拓扑是采用传统的模拟电源转换控制器无法或根本不可能实现的。在运行期间可根据输入或负载条件的变化改变工作模式（电压或电流）连续或不连续。DSC中实现的数字控制回路利用了闪存技术，允许利用标准平台设计，针对不同用户对系统进行配置和校准，从而降低了库存和NRE成本并缩短了上市时间。

      图1所示功能框图描绘了一个基于典型DSC架构的同步降压转换器SMPS控制系统，这种系统将快速的算术运算和基于计数器的PWM模块等控制外设，与模拟比较器的反馈和与其协同工作的ADC采样相结合。

数字反馈回路的优点

      DSC的数字特性消除了典型设计中的温漂和大量模拟元件的变化，因而可使系统误差最小，继而也降低了变压器和电感等元件的尺寸和成本。如果产品要求设计能够适应变化的环境，则必须能在运行时重新配置DSC的参数。采用模拟设计无法实现这一功能。

      一个DSC可取代多个模拟控制器（如PFC和DC/DC），前提是电源转换级之间紧密协调或对多个输出进行独立的电源控制。执行多个独立电源控制回路的能力较传统控制器，能提供更精确的输出调节。

      适应性很强的系统设计也需要具备执行多个控制回路的能力。以采用模拟控制器实现的标准多相降压转换器为例。相与相之间的关系在设计时固定，而且特定电压下的功能也是固定的。运用DSC采用数字控制回路实现同样的多相降压转换器后，相与相之间的关系可以随时改变来满足变化的负载条件。在负载下降时，可以禁止一相来减少开关损耗，而其余相可继续工作在连续电流模式下。这与现代的V8引擎在马力需求降低时停止汽缸运动非常相似。

      现在以这个采用数字控制的多相降压转换器为例，假设客户可能不需要100安培条件下的1.8V输出，而需要4相输出(例如：1.2V @ 20A、1.8V@ 20A、2.5V @ 15 A和3.3V @ 10A)。可以很方便地调节数字控制器以使PWM相互关联或相互独立。用修改过的参数来更新DSC闪存可使基本的电源转换电路提供不同的功能。

      DSC让电源设计人员能够开发新的电源转换拓扑和控制策略，而这些拓扑和策略是采用现成的标准模拟PWM控制器无法实现的，除非愿意等待模拟器件供应商设计并销售满足需求的控制器。

      模拟PWM控制器需要电阻和多个引脚来设置选项；而DSC使用代码使芯片更小。模拟PWM仅提供了少数选项，而DSC则能够完全重新配置。此外，模拟PWM通常会在上电时锁定到一种工作模式，而DSC则可以动态重新配置以应对变化的条件。

      如果产品要求设计能够适应变化的需求，就需要对DSC重新编程。而在模拟设计中，需要丢弃旧模块而用一个新的来替代。通过片内闪存，DSC可以简化电源的生产装配线——可根据客户的电压和/或电流要求对一个硬件设计进行配置。可以通过对闪存进行编程来执行电源的调整和校准，从而无需调节电位器或对电阻值进行激光调节。

数字控制的其他优点

      采用DSC实现数字电源控制器，可向系统添加很多额外的功能，而不会增加系统成本。

      如果产品要求在系统启动和关断时，协调多路输出电压，DSC可以提供这样的功能而不会增加成本。相反，在系统中部署模拟的电源时序和跟踪器件将会非常昂贵。在故障条件下，许多产品要求协调多路输出电压。这是因为，如果一路输出电压发生故障，则通常必须降低或关断其他输出电压以防止负载电路（如主板）进入“栓锁”状态。

      如果设计要求电源转换过程与外部事件或其他器件同步，DSC也能在不增加成本的情况下提供这种功能。具有这种功能的标准模拟PWM控制器比普通的模拟PWM控制器要贵得多。此外，还可以将多个DSC组成菊花链，以提供更多相互协调的资源。

      在特定的应用中，需要比较和监视传感器的信息，比如那些在风扇控制和故障检测以及温度监视中使用的传感器。DSC可利用那些不被数字控制回路使用的处理器资源来执行这些额外的任务。

      在电信和其他重要应用中，系统电源通常由多个独立的电源模块实现，这些模块所提供的总电源超过了系统的需求。这样做能够保证在某一电源模块出现故障时，剩下的电源模块能继续为系统供电。这些电源模块用导线连接在一起，这会强制每个电源模块平均地输出所需总电源的份额。（这称为“负载均衡”。）DSC能在不增加成本的情况下实现负载均衡。事实上，模拟的负载均衡接口器件比许多模拟PWM控制器都昂贵。

      与“负载均衡”相关的一个功能称作“热插拔”。当负载均衡应用中的一个电源模块发生了故障，用户往往希望技术服务人员能在系统仍在运行的情况下将坏的电源模块换成新的。热插拔要求电源模块能以受控的方式禁止和使能自身，并控制其行为以不干扰其他电源模块的工作。采用模拟器件实现“热插拔”功能会非常昂贵。

      如果系统已经要求微处理器来执行其他任务，则DSC在控制电源的同时，也能执行这些任务，因此减少了元件数，降低了成本。

      如果系统需要错误记录或通信功能，DSC能够提供这样的功能，而模拟控制器是不可能提供的。DSC使电源设计人员可以测量诸如功率和效率等复杂物理量。并且，DSC能使用这些信息来帮助设计人员使其响应特性适应任何变化的负载条件。

      数字回路控制还有一个潜在特性，由于修订工作能通过软件完成，因而在新产品的开发过程中无需采用昂贵的多层电路板，从而节约时间和成本。通过加载用于电路板测试的易用测试软件或在单一硬件之上定制多个产品，能进一步降低产品的开发成本。

数字回路控制的注意事项

      对嵌入式系统设计和MCU编程等课题进行学习可能是一个必经的过程，特别是对于惯于采用分立式模拟电源解决方案的设计人员。幸运的是，我们提供软件工具、参考设计和软件库，这些可简化学习的过程。为特定的应用选择合适的DSC对设计成功与否至关重要，对所需的DSC功能进行仔细的考虑，是很重要的一步。为一个应用选择DSC要考虑的关键因素是要确保片内PWM模块能为电源设计提供足够的分辨率。DSC的片内ADC的分辨率和速度向系统提供输入到控制回路的状态信息（反馈），因此ADC也应具备足够的分辨率。因此，所选择的DSC应带有适合电源应用的片内PWM和ADC。

      所选的DSC还应带有模拟比较器。这是因为ADC能持续监视信号并以不超过其最大采样速率（单位为每秒兆次采样（MSPS）的速度进行采样。但是，如果被监视的信号仅需与一个固定的限定值进行比较，单单采用带有ADC的DSC对处理资源是一种浪费。片内模拟比较器释放了处理器和ADC，使之能执行其他更有价值的任务，同时仍允许选择的DSC支持快速电源故障处理和限流功能。

      正确的选择以控制器为核心的DSC（如图2中的示例）可简化实现控制算法的任务。通常，数字控制回路是以比例-积分-微分（PID）算法实现的。但是，不需要复杂的DSP编程技术来处理以控制器为核心的DSC的DSP功能。

现代的DSC还能提供监控功能，比如能在软件或硬件发生故障时复位系统软件和硬件的看门狗定时器（WDT）。 WDT通过使数字控制系统复位或至少进入安全状态，增强了系统的可靠性。

结论

本文讨论了数字反馈回路为电源设计人员及其设计所带来的好处。模拟PWM控制器基本上是无功器件（某些控制器具有某种限制前馈的功能）。这意味着它们不可能在条件大幅变化的情况下提供较好的性能。相反，在电源中实现数字反馈回路允许模拟电源转换过程和负载变化过程。这提供了很多益处，比如，增强了可靠性，减少了元件数，能提供更好的瞬态响应以及动态改变拓扑和从单相输出切换到多相输出。而且，还允许通过软件而不是硬件在生产完成前对设计进行定制。

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