推动电源创新与定制的数字反馈回路

时间：09-30 来源：互联网点击：

数字回路控制注意事项

在SMPS应用中使用DSC应考虑的关键因素是要确保片上PWM模块能够为电源设计提供足够的分辨率。DSC上的ADC为系统提供至控制回路的状态（反馈信号），其也应该有足够的分辨率和速度。接下来，重要的是挑选DSC，DSC的片上模拟比较器要为产生脉冲宽度提供足够的速度。ADC可以替代比较器，用来终止PWM脉冲，但ADC得连续地监控和处理信号。这是对处理能力的浪费，因为被监控的信号仅仅与固定的限值进行比较。高速模拟比较器解放了处理器和ADC，让它们执行其他更有价值的任务，同时使得DSC能够执行电源故障保护和电流限制功能。

此外，如果DSC的ADC模块能够提供独立的采样保持电路，那么这样的DSC会很有用。于是，DSC能够在准确的时刻同时对多个电压或电流信号进行采样，这样甚至能够对持续时间短暂的信号进行采样，有助于降低系统成本。如果ADC能够进行异步采样就更好，因为它能支持工作在不同频率下的多重控制回路，诸如运行在70kHz的功率因数校正电路和工作在250kHz的DC/DC模块。

SMPS设计中的PID算法

使用PID算法（见图4），把偏差——实际输出电压与期望值之差——的比例、积分和微分组合在一起，控制PWM占空比。电压及电流模式控制回路中均可采用PID算法。同样的，有些DSC并不需要复杂的DSP编程技能，因为它是在熟悉的MCU环境中把DSP功能当作外设来提供。

图4 PID控制循环的软件结构

大于50%的占空比可能会出现电流模式的稳定性问题。但是，通过PID软件可以方便地进行处理，软件设定了期望的电流大小，所以按比例缩放DAC值非常简单。这就使得斜坡补偿的数字实现，要比使用模拟技术更加容易；使用模拟技术的话，斜坡发生器要与PWM脉冲进行同步，还需要一个把斜坡信号与电流反馈信号相加的求和点。使用这种方法，得到的是电流模式的SMPS设计，与运行在1～2 BIPS的快速控制器相比较，设计是基于经济的、MIPS更低的DSC的。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC具有高精度数字PWM发生器、额定采样速度为每秒两百万次的ADC、带关联10位参考DAC的高速模拟比较器以及30 MIPS高性能具备DSP处理能力的控制器。

PID控制循环是控制软件的核心（见图4）。每当ADC中断定期发生时，就运行该软件。诸如电压斜坡上升/下降、偏差检测、前馈计算这样的系统函数以及通信支持程序应该在空闲循环（Idle Loop）中执行，其目的是要减轻PID控制软件中不必要的工作负担。

由于软件中PID循环是时间要求很高的部分，为了高效使用DSC的资源，PID循环占用的可用处理器带宽不应该超过66%。这样，就给设计留下了足够的处理器能力，以便处理诸如通信等在空闲循环中执行的函数，或者处理诸如软启动和定序这样的支持函数。在基于30MIPS DSC的SMPS应用中，PID循环由30条指令组成，执行时间约为1μs。如果循环速度保持在500kHz（约2μs）的话，PID控制循环使用可用处理器带宽的一半，即15MIPS。

SMPS中数字反馈控制的优点

在电源中使用数字反馈控制有若干优点，优点主要是关于灵活性的，让设计人员拥有了更多的自由，更大的创新空间。前面已经提到，设计中经常考虑的问题是：在设计实现时有没有合适的技术可利用。DSC的优点在于其可配置性，使设计人员能够开发出针对所需设计的适当技术。例如，如果电源必须在启动和关断期间协调多个输出电压，或者必须在一组独立的功率转换模块之间进行负载或电流共享，数字反馈控制无需额外支出，就能提供这样的功能。如果使用模拟元件以这样的方式来定制电源的话，成本将非常高昂。

另一个优点在于能够实时地改变系统，或者说拥有“热交换”（hot-swap）功能。例如，在电信或其他任务至关重要的应用中，如果电源模块出现故障的话，服务技术人员可以在系统继续工作时，用新电源模块来替换故障模块。使用模拟元器件的话，这种“热交换”功能将会非常昂贵，但如果电源是通过DSC进行数字控制的话，就极具成本效益优势。

此外，如果电源必须应对不断变化的需求的话，可以方便地对DSC重新编程，以便满足要求；但是对于基于模拟的电源设计，就必须从头设计新的模块。还有，由于有片上闪存，DSC能够简化电源生产装配线，即可以对一个批次的硬件设计进行配置，以便满足客户不同的电压和/或电流要求。电源微调和校准也可以通过对DSC的闪存进行编程来实现，从而不需要微调电位计或由激光微调电阻。数字电源还能够载入测试友好的软件，用于开发板的测试，或者，基于相同的DSC硬件平台，生产多种定制产品。

结语

关键之处在于，数字功率转换的好处众多；通过使用片上支持电源的外设的DSC，设计人员现在能够以一种简便、兼具成本效益的方式领略到这些优点。数字电源让设计人员拥有更多的自由，更大的创新空间，能够设计出可靠性更高、灵活性更大且可响应瞬态变化的电源，而且可以在生产末期通过固件来方便地进行定制，而不是通过硬件来进行。

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