数字控制与模拟控制方案的实现对比

2008-05-19 00:10:40来源: 电子系统设计
  基于用于电源转换、带专用外设的低成本高性能器件的进展,数字控制开关电源(SMPS)正变得实用。另外,在SMPS 数字设计中,电流模式控制在挑战电压模式技术。将数字控制与电流模式拓扑学结合起来,将比模拟或电压模式方法的结合带来更高性能。

  早期SMPS设计采用电压模式控制。一个斜波发生器(ramp generator)驱动电压比较器的一个输入端。来自误差放大器/回路滤波器的误差信号驱动比较器的另一个输入端(图1)。得到的是一个基于电压误差信号的脉宽调制(PWM)脉冲。但该电路有两个基本限制。一是没有内置的限流功能保护电路器件;二是对输入和输出的瞬变响应缓慢。

  随着SMPS设计的成熟,设计师转而采用电流模式控制(图2)。在图2中,一个由电感电流驱动的电流反馈信号取代了斜波发生器。用这种方法得到的系统,其中的误差信号直接控制电感中的峰值电流,根除了过电流导致的可能电路故障。因电流模式控制管控电感中的电流,由电感产生的极性或延时被有效地从控制回路中剔除,从而改进了系统的瞬变响应。

在晶圆上构建相位阵列以提高天线性能

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  得到平均电流值

  许多模拟电流模式PWM控制器的一个重要问题是其只能测量峰值电流。因输出电容是对平均电流进行积分以产生所需输出电压的,所以设计师实际上需要测量平均电流。

  通常,设计师能大致将平均电流近似为峰值电流的一半。对占空比(duty cycle)小于50%的情况,在启动下一个PWM周期前,电感内的电流有足够时间衰减为零。只要在PWM周期结束前,电感电流归零,平均电流就等于峰值电感电流的一半(图3)。

在晶圆上构建相位阵列以提高天线性能

  该设计一般能很好地工作。但当占空比大于50%时,会发生某些问题。首先,平均电流不再近似为峰值电流的一半(图4)。随着PWM占空比逐渐大于50%,实际平均电流比通过计算峰值电流然后按折半算。

在晶圆上构建相位阵列以提高天线性能

  这样,其输出的电压将比预期的高,并将继续升高直到较慢的电压控制回路调整电流设定点为止。然后输出电压将下降至低于期望值。这种称为子周期振荡的过程将周而复始。

  为解决这种电流模式的不稳定性,模拟电流模式控制器采用斜率补偿技术——在由电压误差放大器生成的电流阀值上加上一个下降沿锯齿波电压(图5)。该方法为紧密跟踪平均电感电流的限流比较器产生一个新电流阀值。

在晶圆上构建相位阵列以提高天线性能

  数字电流模式控制

  数字电流模式控制方法克服了数字电压模式PWM控制器的许多限制。数字电流模式控制保护晶体管免受峰值电流的损伤、去掉了磁性元件中的磁场“棘轮效应”、抑制了输入电压变易还简化了控制回路补偿。

  电流模式控制还利用误差电压来控制最大电感电流,该电流将电感转变为一个(电)压控(制)电流源。作为一个电流源,电感不再在回路的频率响应中产生一个极性。这将回路从无条件不稳定改变为有条件稳定,从而简化了回路滤波器设计。

  数字信号控制器(DSC)通过合适的片上外设能执行数字电流模式控制。虽然许多DSC缺少模拟比较器,但模拟-数字转换器(ADC)在PWM周期的合适点能测量电感电流。缺少某些方法以准确测定期望点的电流,DSC就必须不停地在PWM周期用ADC测量电感电流,以捕捉当电感电流达到期望值的“这一时刻”。

  取得12位的分辨率需要在每个PWM脉冲内进行2048次ADC电流转换。所需的ADC采样速率是10亿次/秒。另外,需足够的处理功率以收集此10亿次转换并将每次转换结果与误差信号进行比对,在达到期望电流值时,关闭PWM输出。保守地说,这意味着设计师需要一个每秒能执行10亿条指令(BIPS)的处理器。就这点上,得不偿失。

  带合适外设的DSC能在数字SMPS中实施电流模式控制。当用DSC实现SMPS设计时,为完成电流模式控制存在许多可能的方法。用数字电流模式方法,关键是采用一款带片上PWM外设的DSC,该PWM以与独立电流模式PWM生成器相同的方式工作(图6)。

在晶圆上构建相位阵列以提高天线性能

  两个混合信号器件—— 一个电压比较器和一个数模转换器(DAC)被加在常规的基于定时器的PWM外设上(图7)。电压比较器为PWM模块提供关闭信号,对PWM模块和占空比计数器实施相同门控。当占空比计数器归零时,比较器输出能将PWM输出置零。

在晶圆上构建相位阵列以提高天线性能

  DAC的输入来自DSC,并生成比较器的参考信号。当该系统被整合进数字SMPS时,PWM模块的计数器启动PWM脉冲,DAC产生一个送至比较器反向输入的电压,该电压表示的是电感的期望电流,而电流反馈被送至比较器的非反向输入。

  随着电感内电流的形成,占空比计数器继续向上记数。若电感电流首先达到期望值,比较器停止脉冲且电感给输出电容器充电。若PWM计数器首先达到特定的占空比值,它终止PWM脉冲输出。该方法在模拟和数字两个领域都达到最佳效果—— 一是不需要高速MIPS处理器的快速电流模式反馈;二是具有为限流设定最大占空比的能力。

  实现数字电流模式

  为实现一个数字电流模式系统,从确定SMPS设计所需的PWM频率和最大占空比着手。这些参数对PWM的计数器部分进行配置。其次,将参考DAC输出调整至期望的电流反馈信号的最大范围。当控制PWM占空比时,它提供最高分辨率。

  最后,编写比例积分微分(PID)软件程序。该程序将来自ADC的电压反馈与内部数字参考进行比较、为稳定性对其进行滤波、然后向产生比较器参考的DAC输出期望的电流设定。

  为解决伴随占空比大于50%出现的电流模式稳定性问题,由PID软件设置需要的电流值,所以,调整DAC值就成为一件可有可无的工作。因在数字部分只需软件控制,所以使得在数字部分进行斜率补偿比在模拟部分更容易。而模拟方案需要一个与PWM脉冲同步的斜波发生器及一个求和结点。(后者,将斜波电压加在电流反馈上。)

  这种处理的结果是生成一种简单的电流模式SMPS,该SMPS采用一个高成本效率的30MIPS DSC来完成一个在不采用此方法的情况下,一个1到2BIPS处理器并不轻松才能完成的工作。在开始下一个脉冲前,该DSC只需计算一个新的期望电流值。这样,DSC就将有足够空闲时间完成其它任务,诸如:通信、系统监测及包括软启动/上电排序和处理故障检测和恢复等确定性功能。

关键字:脉冲  输入  滤波  放大器  驱动  控制  峰值  电流  瞬变  响应

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/ZHZX/200805/article_828.html
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