利用数字控制技术优化电源系统设计

     经过数十年的发展，高规格DC/DC转换器已经达到性能顶峰，要求电源工程师重新考虑设计方法。事实上，采用人们熟知的模拟控制机制的转换器如今在转换效率和功率密度指标方面已经少有进步，随着设计人员更多地认识到数字电源控制技术的优势，数字电源控制技术正在迅速提升市场份额。在实际应用中，任何数字电源转换器都会采用混合信号硅片工艺支持的模拟和数字组合电路。在本文中，"数字电源控制"指的是用数字电路而不是模拟机制实现电源转换器的内部控制环路。

　　对于最简单的降压转换器例子来说，这意味着用模数转换器代替传统的误差信号反馈放大器，并使用数字信号处理技术代替电压基准、斜坡发生器和比较器控制驱动电源开关的脉宽调制器，见图1。

　　图1：数字降压转换器采用数字信号处理技术代替模拟控制环。

　　对于混合信号内核而言，增加片上"数字电源管理"功能极具吸引力，这种功能包含了监视和控制电路，可与外部逻辑通信以促进电源管理机制。集成这种功能而额外增加的硅成本是可忽略的，但却能极大地降低PCB占用面积要求，同时优化电源转换器内核与其测量和控制子系统之间的耦合。

　　板级I/O系统选择的是基于SMBus硬件的PMBus电源行业标准，它的集成也很容易和便宜。现在有多家硅供应商提供的芯片包含了构建数字电源转换器必需的所有元件，并且外部元件数量极少。更少的元件有助于缩小数字转换器体积、提高可靠性和降低成本——而且控制转换器操作的数字值不会随着时间或温度发生漂移。

　　数字转换器的基本要求

　　对任何数字电源转换器的基本要求是必须至少要有最优秀的实用模拟解决方案的效率，并且不牺牲任何电气性能——包括稳压精度、瞬态响应或输出噪声电平。事实上所有电源转换器在轻负载时都具有最低的效率，而且大多数模拟DC/DC转换器在达到输出最大功率的15－20%时才开始趋于高效工作。

　　一般来说，这种转换器大约在最大负载的50－70%时取得最大效率，这正是它们的设计人员希望用户使用的负载范围。直到最近，这种特征工作范围一直非常适合负载相对稳定的大多数系统，但今天越来越多的系统被设计为只要有可能就关闭尽可能多的功能以节省能耗。

　　这种情况下要求更多的电源能够在非常轻负载时就能高效工作，这时在可能根本不是很稳定的转换器输入电压方面可能出现回跳或次生效应。如图2中的一对典型的四分之一砖块中间总线DC/DC转换器所示，设计良好的数字转换器可以从满负载的约10%开始就能提供比模拟转换器相同或更高的效率，然后直到100%负载都能保持性能优势，同时对不断变化的输入电压提供出色的容差性能。

　　图2：12V/33A电源在25℃时的典型效率与负载电流和输入电压的关系。上图针对的是模拟PKM 43048 PI电源；下图针对的是数字BMR453电源。

　　数据转换器用于延伸和展平工作效率曲线的一个关键技术是改变电源开关导通之间的死区时间。对于图1所示的降压转换器例子，这种"直通"防止措施能够确保两个MOSFET管不会同时导通，而同时导通几乎肯定会导致两个管子互相损坏。

　　要想获得最高效率，器件开关之间的过渡时间必须是零，但大多数转换器使用固定的周期，这能保证转换器在线路和负载范围内安全工作。改变这个周期以反映输入线路状态可以将转换器的极限工作效率提高几个百分点。虽然有家硅供应商已经获得了在模拟控制器芯片中完成这一任务的技术专利，但数字转换器可以更加容易和灵活地满足这个要求。

　　任何数字电源转换器还必须提供有竞争力的功率密度——这个相对容易保证——同时要像模拟转换器那样容易使用。设计和应用之间的差异因此变得非常显著，而且对大多数工程师来说数字电源转换器的主要缺点是这种技术所要求的学习曲线。模拟转换器需要使用电阻和电容设置极点和零点，以便平衡控制环路的动态响应与稳定性之间的关系——有时还要设置死区时间周期——但数字转换器使用常数组达到这些目的。

　　假如有正确的控制算法，数字转换器就可以根据线路和负载条件实时地交换PID(比例－积分－微分)常数的不同值，从而使其性能一直胜过模拟转换器设计。尽管硅供应商付出了很大的努力来完善开发环境，帮助简化数字转换器控制环路的调整，但开发鲁棒性的固件仍需很大的工作量。 

因此，许多工程师更愿意确定预先经过认证的数字电源转换器模块，从而实现这种技术的无缝过渡。在开发3E系列数字电源产品的首款器件过程中，爱立信证实可以将传统松散调节的中间总线转换器的