实现可靠的高性能数字电源

2013-05-27 21:36:29来源: 与非网 关键字: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。

       实现数字回路

  典型拓扑结构的数字控制回路示例将说明DSC或其他拓扑结构的选择会对设计产生怎样的影响。图3显示了一个同步降压转换器。这种结构之所以称为同步降压转换器是因为晶体管Q2的开关与主开关Q1同步。同步降压转换器的设计理念是将MOSFET用作与标准整流器相比具有极低正向压降的整流器。当二极管的电压下降时,降压转换器的整体效率将会提高。同步整流器(MOSFET Q2)还需要一个与主PWM信号互补的PWM信号。Q2会在Q1关断时导通,反之亦然。这种PWM形式被称为“互补的PWM”模式。

                                                                      图3 同步降压转换器

  图4描绘了一个SMPS控制回路示例。最需要注意的是图中的每个模块都有相关的延时。采样/保持电路通常每2到10微秒采样一次,且ADC需要约500纳秒将模拟反馈信号转换为数字值。

                                                                         图4 SMPS控制系统示例

  比例-积分-微分(PID)控制器是运行在DSC上的一个程序,其计算延时约为1至2微秒。该控制器的输出被转换为一个PWM信号,由该信号驱动开关电路。若在设定新的占空比后,PWM发生器不能立即更新其输出,就会引入相当大的延时。此外,根据所用的器件和电路的设计,晶体管驱动器和相关晶体管引入的延时在50纳秒到1微秒。输出滤波器通常由电感和电容电路构成,同样会导致较大的延时。
  与模拟反馈信号转换、处理器的数字计算以及数字PWM信号输出给功率晶体管的延时相关的所有延时都被加到采样速率延时。主控制回路的有效采样频率是控制器延时和采样延时的倒数。在本示例中,控制延时是4.1微秒,因此采样速率大约为244 kHz。

  控制器带宽是控制器的有效采样速率与过采样比之商。一般来说,回路稳定工作要求6至10倍的过采样。在本示例中,需要6倍的过采样比来实现所需的回路性能。估计控制器带宽为40 kHz。在控制算法中加入前馈控制项可提升控制器的性能,使其性能超越带宽为40 kHz的传统PID控制器

  了解了这么一个示例以后,让我们看看采用这样的基本回路如何达到电源应用的某些架构需求。要防止PWM信号的波动对控制器产生影响,要求PWM重载频率应至少比DSC带宽高4或5倍。本示例中两者的比为10:1,这样就要求将PWM频率设置为400 kHz。一旦设置了PWM重载频率,就可据此确定PWM分辨率

  许多供应商和客户均对“PWM分辨率”这一术语感到困惑。PWM分辨率并非指特定计数器的宽度,而是指在一个PWM周期内的计数值(可能的最小PWM时间片段)。在电源行业中,PWM分辨率指定为一个PWM周期中可达到的最小时间增量,通常单位为纳秒。如果DSC的数字PWM模块不具有足够的分辨率,控制系统(硬件或软件)将会使用dither(扰动)处理方法对输出进行调整以实现期望的平均输出。在电源应用中,PWM扰动会导致电流纹波问题并使控制进入不理想的“极限循环”工作模式。

  PWM分辨率 = PWM计数器频率 / PWM频率

  已经为设计选择好了PWM频率,还必须确定所需的PWM分辨率。本示例要求约11位的分辨率,因此PWM时钟必须工作在约1 GHz的频率下。

  控制算法由SMPS软件实现,其中的核心就是PID循环。PID软件通常比较小,只有1到2页的代码,但其执行速率非常高,通常每秒可以进行几十万次迭代!

  这样高的迭代速率要求PID软件程序必须足够高效以使性能最佳。汇编器提供了确保“代码紧凑”的好方法。

  PID软件的执行时间确定了两个系统性能指标:

  1. PID迭代速率,由它确定控制回路更新之间的时间。

  2. PID执行时间,是反馈采样和PWM更新之间的关键路径。

  ADC以固定的时间间隔中断,供DSC执行PID控制循环。任何可在“闲置循环”内执行的系统函数均应在PID控制软件循环外执行。诸如升压/降压、错误检测和前馈计算等函数,以及通信支持程序均可在闲置循环内执行。任何其他由中断驱动的进程(比如通信)的优先级必须低于PID循环。

  

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关键字:数字电源

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2013/0527/article_16475.html
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