实现可靠的高性能数字电源

引言

　　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(开关电源)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(数字信号控制器)解决方案的性能和功能正是这些益处产生的原因。以下罗列了使用数字回路的好处：

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
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
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
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
保护知识产权
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。

图 1 数字回路结构示例图

　　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(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。

　　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(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(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。