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数字电源:电源设计的机遇


作者:Michael Hallworth博士,   时间:2018/10/10 17:04:40  来源:   
在过去五年中,数字电源经历了快速的增长,工业领域享受了数字控制给传统模拟领域带来的许多好处。这已经得到来自各种微控制器供应商的许多新产品的支持,这些产品专门针对数字电源市场。

图1:模拟控制电源


在传统的模拟电源中,使用由运算放大器和比较器组成的控制集成电路,以及一系列精心选择的外部电容器和电阻组成补偿网络,来实现控制。这些都给电源提供了期望的瞬态负载性能和在频域中的稳定性,即S域。补偿网络是固定的,并且经常由于反馈路径中存在带宽限制光耦合器而受损。如图1所示。

图二:数字控制电源


当我们提到数字电源时,我们实际上指的是调节和稳定电源的数字控制回路,它取代了自1980年代以来在开关模式电源中使用的模拟控制IC。如图2所示的数字电源,模拟控制IC及其相关的模拟补偿网络已被微控制器取代。

 

微控制器用于关闭电源的反馈回路。在典型的数字控制电源中,微控制器上的模数转换器(ADC)模块对输出电压或电流进行采样。这与需求参考值进行比较,结果是一个误差项。然后,误差项被用作离散时间控制器(通常是两极二零或三极三零控制器)的输入,该离散时间控制器在离散时域z域中具有极点和零点。离散时间控制器以精确和预先定义的间隔执行,每次都有一个新的ADC采样可用。

图3:离散时间两极,二零控制器


这种离散时间控制器的一个例子如图3所示。该控制器由五个乘法累加操作组成,这些操作被称为数字信号处理器(DSP)上的乘法累加器(MAC)指令。该采样周期x[n],误差项的控制器的输入乘以控制器系数B0。Z-1项是单位延迟,并导致先前的输入到控制器[X-N-1 ],乘以系数B1。在此之后,存在另一个单位延迟,因此从前两个采样周期的误差项x [n-2 ]乘以B2。在图3的右侧,同样的过程被应用到控制器的输出。控制器的前一个输出y[n-1]乘以A1,前一个采样周期y[n-2]的输出乘以A2。这些乘法被累加在一起,结果是该采样周期控制器的新输出。控制器y[n]的输出是脉冲宽度调制(PWM)变换器的占空比或谐振/脉冲频率调制(PFM)拓扑的开关频率的新值。

 

就像s域中的模拟补偿器一样,图3所示的离散时间控制器在z域中具有频率响应。正是控制器系数决定了频率响应,从而决定了电源的稳定性。因此,工程师必须分析计算控制器系数以稳定电源。

 

微控制器在电源中使用多年,目的是使用相对简单和低成本的微控制器实现诸如PMbus和风扇速度控制的基本功能。然而,全数字控制以前在服务器和电信市场最为普遍,在工业和医疗市场的占有率滞后。

 

制约数字控制转换的因素主要是与数字功率相关的成本和复杂性。好消息是,具有实现全数字控制所需的DSP功能的现代微控制器的成本近年来已显著降低,使得它们可用于更多的设计。然而,复杂性仍然是一个问题。这种复杂性源于对设计电源的混合域方法的需要;工程师需要将他们的电源设计知识与编写有效代码和稳定离散时间控制回路的能力结合起来。

 

那么,切换到数字控制的原因是什么呢?数字控制回路比模拟回路具有许多优点。数字电源对控制回路部件的环境、温度、老化和公差不敏感。它允许系统实时监控电源的性能,并根据需要调整参数以调整性能。此外,先进的离散时间控制技术允许我们实现比模拟补偿器更高的性能,在几个开关周期内从瞬态恢复过来。这一直是特别关注的负载点(POL)转换器市场,一直很大的采用数字电源。一个高性能的微控制器可以用来稳定和调节多个功率级,而不需要为每个功率级提供单独的模拟控制IC。

 

对于高效率转换器的不断增长的需求是一个领域,其中数字电源的灵活性提供了超出典型模拟控制方案能力的解决方案。这包括调整PSU的操作以达到最佳的零电压或零电流开关-减少开关损耗,提高整体效率。或者,我们还可以考虑提高使用多个电源的整体数据中心或系统的效率的影响。这可以通过基于来自系统内的主控制器的信息响应关闭或进入低功率模式的请求来实现。

图4:典型的控制回路持续时间与PWM开关周期。


用于数字功率应用的最新微控制器包含DSP功能,允许数字控制环路在每个开关周期内只在单个PWM开关周期的一小部分内执行。图4显示了一个典型的数字电源的PWM开关周期。在这个简单的例子中,每个开关周期输出电压一次。一个几百纳秒的ADC转换时间对于设计用于数字功率应用的微控制器来说是典型的。在ADC转换之后,调用中断服务例程来执行离散时间控制器。这是一个时间关键例程,因此控制器可以用汇编代码编写,以利用MAC指令并优化每个指令周期的使用。

 

如图4所示,对于这个例子,MCU不花费执行控制器的时间是我们的备用带宽。此备用带宽可用于执行特定于客户应用程序的其他任务或功能。任何低优先级任务都是在慢速循环中运行的,每当出现高优先级任务时,都会被中断,例如ADC中断来运行控制环路代码。

 

根据设计的复杂性,为电源开发坚固且有效的固件可能需要大量的时间。此外,还包括验证和测试过程以及各种安全认证所需的文件。因此,需要将大量的资源投入到数字电源的开发中。然而,一旦进行初始投资,数字电源的另一个好处就是在许多不同的产品上重用固件的能力。例如,在一系列中具有不同输出电压的产品的固件的改变可以仅仅是改变控制器系数的简单情况。

 

考虑到微控制器给设计带来的灵活性,当标准产品可能不能满足客户的所有要求时,数字电源非常适合于定制电源应用。可能存在特定的通信需求,例如通过USB、I2C或EtherCAT控制电源,以及在稍后日期使用实时固件更新通信协议的可能性。用户可能要求动态地调整输出电压或电流限制,或者要求实时监测、电源轨排序或输出模块之间的精确电流分配。

 

当然,用于数字电源的高性能微控制器将比它取代的模拟IC更昂贵。然而,数字控制器为MCU内实现其他功能提供了机会,而不是使用离散组件。这可以减少元件数量和提供更紧凑的解决方案,特别是对于具有复杂信号要求或可以使用一个微控制器控制的多个电源轨的设计。其结果可能是一种整体的解决方案,当使用微控制器而不是模拟解决方案时,它更具成本效益。当然,对于一些复杂的需求,数字化可能是唯一的解决方案。

 

XP Power拥有利用标准产品范围的多样性实现复杂定制电源解决方案的知识和能力。随着MCU在电源的核心,定制电源应用的可能性是深远的。考虑到数字电源提供的许多好处,在未来几年中,我们可能会看到数字电源的日益增加。

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