【導(dǎo)讀】數(shù)字電源是一個(gè)技術(shù)術(shù)語，用于命名使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)控制電源轉(zhuǎn)換的方法。我們正處于一場革命之中，數(shù)字電源的優(yōu)勢正在應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換，并且在效率、功率密度、可靠性、穩(wěn)健性和易用性方面正在取得真正的進(jìn)步。盡管個(gè)數(shù)字控制理念已有 30 多年的歷史，但我們現(xiàn)在才看到這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
數(shù)字電源是一個(gè)技術(shù)術(shù)語，用于命名使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)控制電源轉(zhuǎn)換的方法。我們正處于一場革命之中，數(shù)字電源的優(yōu)勢正在應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換，并且在效率、功率密度、可靠性、穩(wěn)健性和易用性方面正在取得真正的進(jìn)步。盡管個(gè)數(shù)字控制理念已有 30 多年的歷史，但我們現(xiàn)在才看到這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
數(shù)字電源架構(gòu)的演變
開關(guān)電源的調(diào)節(jié)和控制過程包括生成驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)功率晶體管的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。在所有開關(guān)調(diào)節(jié)器中，PWM 信號(hào)在某種意義上都是數(shù)字信號(hào)。因此，考慮使用數(shù)字控制器來生成 PWM 是一個(gè)自然的想法。
一些早的數(shù)字電源控制器使用稱為數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的專用微處理器和通用微控制器 (uC)。在這些控制器中，代表穩(wěn)壓電源輸出電壓的模擬信號(hào)被數(shù)字化，然后在 DSP 中處理數(shù)字信號(hào)。雖然 DSP 的處理能力非常強(qiáng)大，但為了實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)電源控制所需的快速處理速度，需要高時(shí)鐘速度。這些 DSP 所需的高時(shí)鐘速度和固有的高偏置電流意味著功率轉(zhuǎn)換過程中會(huì)消耗大量功率。此外，DSP 對(duì)于開關(guān)電源應(yīng)用來說過于昂貴。見圖1。
大約 10 年前，基于專用功能狀態(tài)機(jī)的數(shù)字電源控制器開始出現(xiàn)，首先出現(xiàn)在學(xué)術(shù)界，然后出現(xiàn)在商業(yè)產(chǎn)品中。這些狀態(tài)機(jī)專門設(shè)計(jì)用作數(shù)字開關(guān)電源控制器。控制器包含用于功率轉(zhuǎn)換目的的專用硬件外設(shè)。它們經(jīng)過優(yōu)化，使得數(shù)字電源開始在廣泛的應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)可行。這是數(shù)字電源歷史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。現(xiàn)代數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器 ZL6105 的框圖如圖 2 所示。調(diào)節(jié)環(huán)路的關(guān)鍵元件是一個(gè)特殊的狀態(tài)機(jī)——PID數(shù)字補(bǔ)償器。
數(shù)字電源架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)非常適合數(shù)字 PWM 信號(hào)生成，并允許實(shí)施先進(jìn)的處理算法：濾波器、性能優(yōu)化算法以及非線性控制和自動(dòng)補(bǔ)償。優(yōu)化的低功耗電壓設(shè)置 DAC 以及電壓和電流監(jiān)控 ADC 提供的遙測設(shè)施和信息比模擬世界控制器先進(jìn)得多。所有這些使數(shù)字電源技術(shù)能夠提供新水平的轉(zhuǎn)換性能、功能和集成度。
提高效率
得益于數(shù)字控制，Zl6105 能夠執(zhí)行算法來優(yōu)化頂部和底部 FET 柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)之間應(yīng)用的死區(qū)時(shí)間。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須確保頂部和底部 MOSFET 永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。相反，兩個(gè) MOSFTS 長時(shí)間關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致電流流過其寄生體二極管，從而降低電路效率。ZL6105 具有不斷調(diào)整死區(qū)時(shí)間非重疊的算法，以限度地減少損耗，從而限度地提高效率。該電路將消除由于元件變化、溫度和負(fù)載影響而導(dǎo)致的死區(qū)時(shí)間差異。
集成度和可靠性
可靠性是一個(gè)術(shù)語，用于描述電源不會(huì)發(fā)生故障的相對(duì)可能性。一般來說，任何系統(tǒng)（包括電源）的可靠性都會(huì)隨著組件數(shù)量的增加而降低。現(xiàn)代數(shù)字電源控制器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們高度集成，并且需要更少的組件來實(shí)現(xiàn)全功能電源。
ZL6105數(shù)字電源控制器不僅集成了電源轉(zhuǎn)換控制，還集成了電源管理、故障管理和遙測功能。諸如斜坡上升和下降排序、開關(guān)相位擴(kuò)展、電流共享、故障擴(kuò)展等同步功能是通過專有通信總線使用通信來執(zhí)行的。主機(jī)的系統(tǒng)監(jiān)控是通過 I2C 接口使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電源管理總線命令 (PMBus?) 執(zhí)行的。所有這些都從設(shè)計(jì)中消除了數(shù)十個(gè)組件。在集成 FET 控制器（如 ZL2101）甚至完全集成的電源模塊（如 ZL9117）中可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的硬件集成，從而提高可靠性。圖 3 顯示了如何輕松地將兩個(gè) ZL9117 模塊組合起來構(gòu)建兩相均流軌。
以方式監(jiān)控和響應(yīng)環(huán)境變化的能力增強(qiáng)了數(shù)字電源的穩(wěn)健性。例如，ZL6105 監(jiān)控內(nèi)部芯片溫度和外部溫度。這使得控制器能夠補(bǔ)償溫度敏感的測量結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)的控制和監(jiān)控。輸入、輸出電壓和輸出電流監(jiān)控使 ZL6105 能夠檢測系統(tǒng)故障，并通過可配置的故障反應(yīng)防止對(duì)電源和負(fù)載造成災(zāi)難性后果。
易于使用和自動(dòng)補(bǔ)償
穩(wěn)定性是電源的關(guān)鍵運(yùn)行要求。在穩(wěn)壓電源中，穩(wěn)定性由反饋路徑的特??性控制。電源工程師需要確保在所有負(fù)載條件、環(huán)境條件和組件特性變化下穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)在所有這些條件下保持穩(wěn)定的反饋環(huán)路是一項(xiàng)耗時(shí)的任務(wù)。
數(shù)字電源解決方案提供了模擬補(bǔ)償?shù)奶娲桨浮?shù)字補(bǔ)償無需外部元件，只需改變數(shù)字寄存器中存儲(chǔ)的增益值即可進(jìn)行調(diào)整。數(shù)字濾波器不僅僅是模擬濾波器的替代品。數(shù)字濾波器可以執(zhí)行遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出模擬濾波器能力的功能。例如，在高 Q (>0.5) 二階電路中，設(shè)備中的極點(diǎn)是復(fù)共軛極點(diǎn)，這可能需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)共軛零點(diǎn)才能有效補(bǔ)償。傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償器僅提供實(shí)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。另一方面，數(shù)字濾波器可以輕松提供復(fù)共軛零點(diǎn)來補(bǔ)償高 Q 電源。
盡管如此，即使有這一優(yōu)勢，在許多情況下也不足以在所有條件下穩(wěn)定和優(yōu)化電源。初始電感器和電容器值可能會(huì)有 +/- 10% 的變化。這會(huì)顯著改變控制環(huán)路，甚至導(dǎo)致電源穩(wěn)定性顯著降低。例如，電解電容器的電容和ESR等特性會(huì)隨著溫度而發(fā)生很大變化。真正需要的是一種自動(dòng)補(bǔ)償電源的方法。
Intersil 的 Zilker Labs 近發(fā)布了幾款具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的部件。所有這些都使用先進(jìn)的數(shù)字算法來表征工廠并確定適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償設(shè)置以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
所有這些轉(zhuǎn)換器都使用數(shù)字 PWM 控制器的專用狀態(tài)機(jī)和嵌入式微控制器來監(jiān)控電路、環(huán)境條件和配置文件，以實(shí)時(shí)設(shè)置和修改狀態(tài)機(jī)操作。
在自動(dòng)補(bǔ)償過程中，微控制器通過系統(tǒng)地調(diào)整補(bǔ)償系數(shù)，同時(shí)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，來調(diào)整狀態(tài)機(jī)以穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換過程。雖然這確實(shí)會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生輕微的擾動(dòng)，但它幾乎難以察覺，并且完全在允許的瞬態(tài)包絡(luò)內(nèi)。
在實(shí)際應(yīng)用中，自動(dòng)補(bǔ)償很容易使用。只需啟用電源，控制器即可完成所有工作。圖 5 顯示了典型電源在電源得到充分補(bǔ)償之前（上）的瞬態(tài)響應(yīng)。第二條跡線（下方）顯示自動(dòng)補(bǔ)償后的瞬態(tài)響應(yīng)。
自動(dòng)補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)好處是該設(shè)備具有補(bǔ)償算法的特征。可以在電源的整個(gè)使用壽命期間監(jiān)控增益、Q 和固有頻率的值，并且可以在系統(tǒng)發(fā)生故障之前多次觀察到設(shè)備的顯著變化。這允許用戶結(jié)合系統(tǒng)健康狀況的預(yù)測診斷以提高可靠性。
自動(dòng)補(bǔ)償為設(shè)計(jì)工程師節(jié)省了大量時(shí)間，產(chǎn)生更穩(wěn)定的電源，并有可能提高電源系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
結(jié)論
與傳統(tǒng)模擬控制器相比，數(shù)字電源控制在性能、可靠性、大量功能和易用性方面具有許多優(yōu)勢。從傳統(tǒng)的模擬功率控制切換到數(shù)字功率控制既簡單又有益。
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