Don Tuite

數(shù)字電源分為數(shù)字電源控制和數(shù)字電源管理兩個部分?！皵?shù)字電源控制”是指利用數(shù)字反饋回路對電壓和電流進行調節(jié)?！皵?shù)字電源管理”是指可以通過串行鏈路對電壓和電流限制等電源輸出特性進行配置，它也意味著可以通過相同的鏈路將實時電壓、電流和操作溫度的測量值發(fā)送至外部系統(tǒng)控制器。

本文主要討論脈沖寬度調制(PWM)、脈沖密度調制(PDM)和脈沖頻率調制(PFM)開關穩(wěn)壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實際開關的一個或多個晶體管的驅動器，另一些則沒有。還有一些甚至集成了開關FET，如果它們提供合適的負荷的話。因此，數(shù)字還是模擬的問題取決于穩(wěn)壓器的控制回路如何閉合。

圖1顯示了兩種最常見的PWM開關拓樸布局的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉換器。在同步配置中，第二只晶體管將取代二極管。在某種意義上來講，脈沖寬度調制的采用使得這些轉換器“準數(shù)字化”，至少可與基于一個串聯(lián)旁路元件的723型線性穩(wěn)壓器相比。事實上，PWM使得采用數(shù)字控制回路成為可能。不過，圖1中的轉換器缺少控制一個或幾個開關占空比的電路，它可在模擬或數(shù)字域中實現(xiàn)。

不管采用模擬還是數(shù)字技術，都有兩種方式實現(xiàn)反饋回路：電壓模式和電流模式。為簡單起見，首先考慮它在模擬域中如何實現(xiàn)。



在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個與振蕩器斜坡信號相比較的小誤差信號(圖2)，當電路輸出電壓變化時，誤差電壓也產(chǎn)生變化，后者反過來改變比較器的門限值。反過來，這將使輸出信號寬度發(fā)生變化。這些脈沖控制穩(wěn)壓器開關晶體管的導通時間。隨著輸出電壓升高，脈沖寬度將變小。

電流模式控制的一個優(yōu)勢在于其管理電感電流的能力。一個采用電流模式控制的穩(wěn)壓器具有一個嵌套在一個較慢的電壓回路中的電流回路。該內(nèi)回路感應開關晶體管的峰值電流，并通過一個脈沖一個脈沖地控制各晶體管的導通時間，使電流保持恒定。



與此同時，外回路感應直流輸出電壓，并向內(nèi)回路提供一個控制電壓。在該電路中，電感電流的斜率生成一個與誤差信號相比較的斜坡。當輸出電壓下跌時，控制器就向負載提供更大的電流(圖3)。

在這些控制拓樸中，在回路的相移達到360°的任意頻率處，控制回路的增益不能超過1。相移包括了將控制信號饋入反饋運放的倒相輸入端所產(chǎn)生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。

穩(wěn)定回路要求對一定頻率范圍內(nèi)的增益變化和相移進行補償。傳統(tǒng)上，采用模擬PWM來穩(wěn)定電源通常需要采用經(jīng)驗方法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實際電路板上，實驗各種無源器件的不同組合，并觀察在電源電壓和負載需求變化時的電路時間域響應。最近，事情已變得很簡單。因為現(xiàn)在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實現(xiàn)了首先在數(shù)字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個值”的功能。



數(shù)字控制回路

大多數(shù)電壓模式控制的數(shù)字實現(xiàn)方案包括了模數(shù)轉換器(ADC)、實現(xiàn)一些控制算法的微控制器或DSP、以及一個數(shù)字脈沖寬度調制器(DPWM)，該DPWM拾取控制器輸出并產(chǎn)生驅動執(zhí)行開關動作的一個或幾個晶體管所需的信號(圖4)。

首先，ADC產(chǎn)生饋入控制器的一系列輸出電壓的數(shù)字表示?？刂扑惴ㄊ侨藗兯煜さ谋壤e分(PI)或比例積分/差分(PID)算法。

在一個PID控制器(更復雜的實例)中，每個ADC輸入都要執(zhí)行基于一系列系數(shù)的算法。比例系數(shù)是與靈敏度相關的增益因子。整數(shù)系數(shù)按照錯誤出現(xiàn)的時間長短來調節(jié)PWM的占空比。誘導系數(shù)補償回路的時間延遲(相位更有效)。綜合起來，PID算法的各個系數(shù)決定了系統(tǒng)的頻率響應。

控制器隨后將ADC的輸出電壓表示轉換成維持期望的輸出電壓所需的脈沖持續(xù)時間(占空比)信息。然后，該信息被傳送至一個DPWM，它執(zhí)行與模擬PWM一樣的驅動信號產(chǎn)生功能。

注意模擬和數(shù)字控制方案管理開關晶體管的不同。模擬控制器在時鐘上升沿觸發(fā)開關晶體管成ON狀態(tài)，并在電壓坡度達到預設的門檻電壓時將晶體管觸發(fā)成OFF狀態(tài)；PID控制器則計算開關晶體管ON和OFF狀態(tài)期間所需的持續(xù)時間。

理論上，模擬控制可以提供連續(xù)精度的輸出電壓。但ADC精度和采樣率的交互作用再加上DPWM開關速率，使情況變得有些復雜。

例如，DPWM必須具有比ADC更高的精度。否則，ADC輸出的1LSB變化就可能導致DPWM使輸出電壓變化大于1LSB。其結果是，輸出電壓就穩(wěn)定地在兩個數(shù)值之間轉換，這個狀態(tài)被稱之為“限制性循環(huán)”。



不過，避免循環(huán)也不是輕而易舉的。這是因為要提供DPWM更高的精度就意味著必須提高其脈沖速率(脈沖速率決定了在任一給定時間段能夠產(chǎn)生多少比特)。然而，DPWM脈沖速率限制了它對所有來自控制器的比特進行壓縮的時間。如果一個DPWM具有1MHz開關速率和10位ADC，那么計算顯示，調制器要求超過1 GHz的脈沖速率。

當然，如此的高速度是不切實際的，因此數(shù)字控制器的設計者必須找到另一種替代解決方案。一種方案是引入一些DPWM時鐘抖動。穩(wěn)壓器輸出過濾器對饋入的任一脈沖串進行平均，這使對每個mth輸出脈沖的寬度進行相當于1 LSB的調整成為可能。

這將脈沖串的平均值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。如果在控制器輸入端的1LSB使輸出脈沖串平均變化10 mV，這將使每四個脈沖縮短相應于10 mV的時間，那么通過濾波器的平均輸出電壓將降低 10 mV/4，即2.5 mV。

當系統(tǒng)具有一個以上的電壓軌時，按照正確順序導通電壓軌，并在電源啟動和關閉時控制電壓的變化速率將變得十分重要。在具有多個電源軌的系統(tǒng)中，采用數(shù)字電源管理更易于對不同電壓軌的順序和時序進行編程。

電源轉換器或控制器并沒必要同時具有數(shù)字電源控制和數(shù)字電源管理功能?，F(xiàn)在，一些DC/DC調節(jié)器采用模擬控制方式，但能提供增強型I2C總線上的可編程性能；另一些DC/DC調節(jié)器采用數(shù)字反饋，但通過將特定引腳直接接地或通過電阻接地，也可以設置操作特性。如今，大量的電源管理和一些電源控制功能是通過電源管理總線(PMBus)來實現(xiàn)的。