电源管理的模拟和数字方法

2008-05-19 01:04:00来源: 电子产品世界

  数字与模拟的长期争论最近已扩展到电源领域,引起模拟领域的关注和响应。数字仍然在流行,但现实世界是模拟的。而电源与任何其他现实世界的系统没有差别:电源输出是模拟(电压、电流、功率等)的,这与数字电视、数码相机和数字蜂窝电话给出的模拟输出(移动视频,静态图像,声音等)具有相同的方式。除明显的通信方面已存在相当一段时间突出数字外,数字电源简单地涉及到电源转换系统核心的一些处理单元,现正在改进为数字化。然而,毫无疑问,到模拟世界的接口—外层仍然保持模拟。

  模拟电路是一款表示连续可变,可量测物理量(如长度,宽度,电压,压力)数据的器件。然而,在模拟市场分类中,我们看到数据转换和接口产品是具有数字数据和电路成分的器件。

  实际上,在模拟领域,我们看到混合信号应用的广泛性,范围从纯模拟到数字以及从电源到信号。实际上,在每次技术历程中模拟是产生新电路、新结构和新方案的一种丰富的基本元素。如市场情报公司的数据报告所示,模拟已成为一个大的混合信号领域,它跨越纯模拟到数字的全部电路领域。

  模拟继续在增长,不管数字化的每个实际现象。这是因为以上所述的原因和模拟保持无可比拟的创新领域:10年前没有容性稳压器(电荷泵),5年前没有LED驱动器,这种创新还将继续。结果,纯模拟电路的数字化在宽广限定的模拟市场保持家用增长现象,确认模拟的领先创新能力。肯定的说,没有模拟不可能有模拟的数字化。

  数字化的局限性

  图1示出一般电源转换和管理系统的框图。框图中的单元(电源基准,D/A,驱动器,滤波器)是连接“外部”模拟世界的特征元件,如上述原因它们将保持摸拟。框图中的通信单元是数字(串行或并行通信总线)的。控制单元,传统上用模拟方法实现,但最近5年改变为数字实现。

  当今业内趋势表明电源转换(伺服控制算法)和电源管理(新的串行或并行总线协议通信,定序电路等)的数字控制结构正变为成熟。未来几年,预测这些结构可以替代模拟对应部分。

  电源继续处于一个艰难的环境下,对半导体器件有很大的压力。开关稳压器中的电感器或电机中的线圈,以大于VCC电源和低于它的电压尖峰信号周期性地使电子电路激化。这样的过压和欠压偏移势必会唤醒半导体器件中的寄生晶体管,这会对系统产生有害的影响。如何使这些有害影响不连接到外部世界,这不是数字电子的范围。这是一个相当难解决的问题,甚至对于最有经验的模拟设计人员也成为一个重要的难题。事实上,寄生参量问题使电源/模拟设计变成为一种艺术,而不是科学。现在没有SPICE仿真器能模拟寄生晶体管的三维效应,而只要这样情况继续存在,模拟将继续是少数熟练设计人员手中的“黑魔术”。

  模拟和数字结构

  图2示出电压稳压器的典型模拟控制实现框图,是围绕调制器构建脉宽调制(PWM)开关稳压器。模拟调制器由一个比较器构成(调制波形示于图3),比较器的输入是周期为T的周期性逐段线性(三角或锯齿)调制波形VST,另一个输入为误差信号Vε。如准稳态误差信号Vε处在调制波形的最小和最大之间,则这两个波形的交叉点决定‘on’脉冲的周期Ton。因此,比较器输出产生一个方波Vsw,其平均值与DC输出电压Vo相同。在此方法中,PID(比例-积分-微分)单元可以用一个运放和外部无源元件(补偿电阻器Rc和电容器Cc)实现,或用集成有Rc、C2补偿网络的单片实现。

  图4示出一种数字控制结构,其中输入误差信号(Vfb-Vref)经模/数转换器(ADC)转换为数字信号,此后进行PID补偿和数字调制(DPWM)。

  数字电源转换控制环路的核心是数字调制器。图5示出用环形振荡器实现数字调制器方法,这是一种简单和有效的方法。在此实例中,环形振荡器工作频率为1MHz(T=1ms),此频率也是数字PWM系统的时钟频率,环形振荡器由255个电路构成(在环形振荡的最简单实现方法中,门电路数必须是奇数),以对应于8位分辨率。每个门电路输出都是比前一个门电路延迟1/255时钟周期,大约为4ns。

  适当地选择门电路之间的时间延迟,可以产生数字调制器输出处的‘on’脉冲,通过由数字误差信号电压DVε驱动的数字选择器可以进行这种选择。

  选择控制算法

  若被稳压的系统是真正线性的,这意味着工作模式是连续不变的或者是平稳的,则模拟通常是采用的方法。台式CPU电压稳压器就是这样情况,稳压器输出从无载到满载必须用同样的算法进行连续地控制。若系统非平稳,这意味着工作模式是不连续和变化的,则选择数字方法比较好。

  例如,在笔记本或移动电话电压稳压器应用中,选择数字方法是比较好的。因为在轻负载时,应节省功率,此时需要模式变化。这通常会发生从PWM算法到PFM(脉冲频率调制)的情况。PFM是随负载调节频率的模式,因此,在较轻负载时产生较低的频率,进而有较低的开关损耗。

  在模拟系统中,这样的模式变化需要从一个控制环路(如PWM)突然转换到另一个模式(如PFM),通常此时负载正在变化。这种算法不是连续性的,必定导致输出稳定度的暂时降低。

  相反,数字控制固有的配置来处理不连续性。因此,数字控制在单控制算法中具有处理模式变化的能力。

  电源管理和转换应用

  数字电源管理的明显优点是容易通信、编程、状态报告等。这种数字控制的典型应用实例是智能电池系统,为笔记本电脑供电的智能电池充电器。此系统包括智能充电器,智能电池和主微控制器。在此系统中,智能充电器从器件通过系统管理总线(SMBus)接收来自“主”控制器的命令。然后,智能充电器调节其参量为智能电池提供所需的电流、电压和功率,然后对微控制器报告其数值。

  在电源转换应用中,微控制器基数字结构具有很多有用的地方,特别是在不仅仅需要编程性,而且也需要电流和电压整形的应用中。

  电流整形应用

  在轻载镇流器应用中需要电流整形,对于不同的灯可以灵活地设置电流的强度和周期以及3个工作相(预热,点火和调光)。在PFC应用中也需要电流整形,电流必须与线电压有相同形状。

关键字:输出  接口  信号  驱动器  稳压器  基准  滤波器

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/power/200805/article_21156.html
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