如何讓模擬工程師實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換
模擬工程師以前在設(shè)計(jì)需要具有多路輸出、動(dòng)態(tài)負(fù)載共享、熱插拔或廣泛故障處理能力的電源時(shí),往往需要與復(fù)雜性抗?fàn)帯＠媚M電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能并非總是經(jīng)濟(jì)有效或靈活的。采用模擬技術(shù)設(shè)計(jì)電源需要使用“過(guò)大的”元件來(lái)解決元件變化和元件漂移的問(wèn)題。即使是在克服了這些設(shè)計(jì)難點(diǎn)之后,這些電源在生產(chǎn)線末端還需要進(jìn)行人工調(diào)整。
那么,模擬工程師應(yīng)該選擇什么來(lái)設(shè)計(jì)電源呢？工程學(xué)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答是利用功率轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的智能數(shù)字控制來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。單片機(jī)已使模擬設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、控制、通信甚至確定性功能(如電源中的上電時(shí)序、軟啟動(dòng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制等)。不過(guò),由于缺乏經(jīng)濟(jì)有效的高性能技術(shù),以數(shù)字方式控制整個(gè)功率轉(zhuǎn)換環(huán)路還不太現(xiàn)實(shí)。
開(kāi)關(guān)電源中的DSC設(shè)計(jì)
現(xiàn)在,一種新型數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的問(wèn)世使具有智能電源外設(shè)等功能的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為可能,因?yàn)檫@種器件采用基于計(jì)數(shù)器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣,可以在一個(gè)單時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行快速乘法。這些特性的組合有助于DSC處理控制環(huán)路軟件所需的較高執(zhí)行速度。
在開(kāi)始進(jìn)行電源設(shè)計(jì)之前,需要做出以下決擇。
1. 選擇一種適合應(yīng)用需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：升壓型還是降壓型(Boost還是Buck),隔離式(正向、半橋還是全橋)。
2. 選擇一種開(kāi)關(guān)技術(shù)： 硬開(kāi)關(guān)還是軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(如諧振模式或準(zhǔn)諧振模式),以增加電路和控制的復(fù)雜程度為代價(jià),換取較少的開(kāi)關(guān)損耗。
3. 選擇一種控制方法：電壓模式還是電流模式。
電壓模式控制和電流模式控制是基于傳統(tǒng)模擬開(kāi)關(guān)電源(SMPS)控制技術(shù)的兩種控制方法。在電壓模式條件下,利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)來(lái)控制電源電壓施加在電感器上的時(shí)間,進(jìn)而間接地控制電感器中的電流。在電流模式控制條件下,利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)為模擬比較器創(chuàng)建一個(gè)門(mén)限值來(lái)設(shè)置峰值電感電流,從而控制平均電感電流。電壓模式可以在噪聲環(huán)境中或?qū)捁ぷ鞣秶鷹l件下提供更高的穩(wěn)定性;電流模式控制可以實(shí)現(xiàn)逐周期的電流限制和更快的瞬態(tài)響應(yīng),它還可防止可能導(dǎo)致電感器飽和并引起災(zāi)難性MOSFET故障的“逐步增加的電感電流”。
4. 選擇PWM工作頻率。高頻PWM有助于使用更小的電感器和電容器,但是需要額外付出開(kāi)關(guān)損耗為代價(jià)。
5. 確定需要的控制帶寬。這在很大程度上取決于應(yīng)用所期待的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
6.根據(jù)估計(jì)的控制帶寬需求來(lái)分配處理器資源。雖然有多種控制算法,但是常用的技術(shù)仍是比例、積分和微分(PID)方法。使用常用PID算法,控制環(huán)路將需要以所需控制系統(tǒng)帶寬的八倍速度運(yùn)行,以保證足夠的相位容限。在估計(jì)控制環(huán)路的延遲時(shí),控制環(huán)路內(nèi)的所有延遲都必須考慮到(參見(jiàn)“計(jì)算控制環(huán)路的延遲”部分)。
接著,選擇一個(gè)可以滿(mǎn)足您所有或大多數(shù)設(shè)計(jì)需求的DSC。
選擇采用Microchip的SMPS
