数字电源解决方案提供更高性能和集成度
作者: 来源:中国电子商情
发布时间:2015-04-23
数字电源是一种使用数字信号处理技术来控制功率转换的电源。现在，我们正处在一场由数字电源带来的革命中，数字电源被用于功率转换给电源带来了效率、功率密度、可靠性、稳定性和易用性等重大进步。尽管数字控制概念早在30多年前就已出现，但我们现在才刚刚开始看到这项技术的广泛使用。
数字电源架构演变
开关电源的调节和控制过程包括生成一个脉宽调制（PWM）信号来驱动一个或多个功率晶体管。在所有开关稳压器中，PWM信号在某种意义上算是数字信号。因此，在生成PWM信号时使用数字控制器是自然而然的想法。
一些最早的数字电源控制器使用被称为数字信号处理器（DSP）的专用微处理器和通用微控制器（uC）。在这些控制器中，代表稳压电源输出电压的模拟信号被数字化，随后在DSP中对该数字化信号进行处理。虽然DSP在处理能力方面十分强大，但要实现高频开关电源控制所需的快处理速度，还是要求高时钟速度。高时钟速度以及DSP要求的固有高偏置电流意味着功率转换过程中会消耗大量能量。而且，DSP对开关电源应用而言也过于昂贵。参见图1。
图1 使用DSP或通用微控制器的数字电源控制器
大约10年前，基于专用功能状态机的数字电源控制器开始出现，先是在学术界，然后用于市售产品。这些状态机专为数字开关电源控制器应用而设计。控制器包含了用于功率转换的专用外围硬件。其优化程度已达到使数字电源具有适合广泛应用的经济可行性的程度。这是数字电源发展史上的转折点。图2显示了现代数字电源转换器ZL6105的框图。稳压回路的关键元件是一个专用状态机——PID 数字式补偿器。
图2 使用PID数字式补偿器和优化型外围硬件集合的数字电源控制器ZL6105
数字电源架构的优势
数字信号处理技术非常适用于数字PWM，且能够实现先进的处理算法：如滤波器、性能优化算法及非线性控制和自动补偿。经过优化后，低功耗电压设置DAC以及电压和电流监测ADC提供较之于模拟控制器远为高级的遥测工具和信息。这一切使数字电源能够在转换性能、功能及集成度方面达到新的水平。
效率改进
由于数字控制技术，ZL6105能够通过执行算法来优化同步降压转换器的上下两个FET的门驱动器信号之间的死区时间。在同步降压转换器中，必须设计MOSFET驱动电路以便使上下两个MOSFET永远不会出现共同导通的状态。相反，两个MOSFET长时间都处于关断状态会使电流流入其寄生二极管，从而降低电路效率。ZL6105使用一种算法不断调整死区时间，使其不交叠，以最小化损耗，从而最大化转换效率。该电路可消除由于元件变化、温度及负载效应造成的死区时间差。
集成度和可靠性
可靠性这个词用来描述电源不会失效的相对可能性。通常，包括电源在内的任何系统的可靠性都会随元件数目的增加而降低。现代数字电源控制器的优点在于它们的高集成度和需要较少元件就能实现全功能电源。
ZL6105数字电源控制器不仅集成了功率转换控制功能，还集成了电源管理、故障管理和遥测功能。同步功能（如爬升和下降的时序、开关相位的控制、均流、故障传播及其他）通过专用的总线进行通信来实现。来自主机的系统监测使用工业标准电源管理总线命令（PMBus）通过I2C接口来执行。这样在设计中将减少许多元件。进一步的硬件集成以及由此产生的可靠性改进可见于集成式FET控制器（如ZL2101）甚至全集成式电源模块（如ZL9117）。图3显示了如何轻松结合两个ZL9117模块来构建两相均流电源轨。
图3 使用通过DDC总线进行的通信来实现均流的两个ZL9117模块
数字电源的适应性通过最佳的方式监测和响应环境变化的能力得到增强。例如，ZL6105可同时监测内部核心温度和外部温度。这使控制器能够补偿对温度敏感的测量结果，来实现准确的控制和监测。输入和输出电压以及输出电流监测允许ZL6105检测系统故障和通过可配置的故障反应来预防对电源及负载的灾难性后果。
易用性和自动补偿
稳定性是电源工作的一个关键要求。在稳压电源中，稳定性由反馈通路的特征控制。电源工程师需要确保电源在所有负载条件、环境条件和元件特征变化下的稳定工作。设计在所有这些条件下能够保持稳定的反馈回路是一项耗时的任务。
数字电源提供了模拟补偿的替代方案。数字补偿无需外置元件并且可以只通过改变在数字寄存器中存储的增益值来微调。数字滤波器并非模拟滤波器的简单替代物。数字滤波器执行的功能远胜于模拟滤波器的功能。例如，在高Q值（>0.5）二阶电路中，功率回路中的极点是复杂的共轭极点，需要共轭零点来补偿，传统模拟补偿器仅能提供实数零点。而数字滤波器则可轻松提供共轭零点来补偿高Q值电源。
不过，许多情形下这一优势并不足以在所有条件下实现电源的稳定和优化。电感和电容器初值的变化率可达到+/- 10%，这会显著改变控制回路，甚至达到使电源稳定性显著下降的程度。例如，电解电容器的特征（如电容值和ESR）会随温度出现很大改变。真正需要的是一种自动电源补偿方法。
Intersil的Zilker Labs最近发布了多款具有自动补偿功能的产品。这些产品均使用先进的数字算法来检测装置的特征和确定合适的补偿设置，以保证电源的稳定工作。
所有这些转换器均使用用于数字PWM控制器的专用状态机和嵌入式控制器来监测电路、环境条件和配置文档，来实时设置和修改状态机操作。
在自动补偿期间，微控制器是通过有规则的调整补偿参数，同时观测系统的响应效果，进一步调节状态机以实现稳定的电源转换过程。虽然这会在输出上产生轻微扰动，但其几乎不可察觉并且完全在允许的瞬态响应包络内。
自动补偿的一个附带好处是装置特征是通过补偿算法来得到的。增益、Q值和自然频率的值可在整个电源寿命期间得到监测，在系统失效之前的装置特征的显著变化是能够被观察到的。这允许使用者结合预测性的系统健康诊断来提高可靠性。
自动补偿可让设计工程师节省可观的时间，设计出更稳定的电源并潜在地改进电源系统的可靠性和适应性。
结束语
数字电源控制提供了相对于传统模拟控制器的许多优势，例如在优化性能、可靠性、更多的功能和易用性等方面。从传统模拟电源控制到数字电源控制的转变不仅容易，而且回报丰厚。
