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市場因素正在推動智能電源的發展，包括電源的外部控制和生產中的軟件配置。實現上述目標的方法之一就是在電源轉換回路中采用數字反饋控制。電源設計人員已經在智能電源中采用了單片機（MCU）來實現通信、監視、控制和諸如上電時序、軟啟動和拓撲控制等確定性功能。但是，就在不久前，由于沒有合適的兼具成本效率的技術，對電源轉換回路進行完全的數字控制仍不可能。包含專用外設的數字信號控制器（DSC）的出現才使得完全的數字控制成為可能。 DSC使能數字反饋回路 設計人員常常會問，有這么多廉價的專用模擬脈寬調制（PWM）控制器，為什么要選擇使用DSC來進行數字反饋控制呢？DSC提供新的控制方法和電源轉換拓撲，而這些方法和拓撲是采用傳統的模擬電源轉換控制器無法或根本不可能實現的。在運行期間可根據輸入或負載條件的變化改變工作模式（電壓或電流）連續或不連續。DSC中實現的數字控制回路利用了閃存技術，允許利用標準平臺設計，針對不同用戶對系統進行配置和校準，從而降低了庫存和NRE成本并縮短了上市時間。 圖1所示功能框圖描繪了一個基于典型DSC架構的同步降壓轉換器SMPS控制系統，這種系統將快速的算術運算和基于計數器的PWM模塊等控制外設，與模擬比較器的反饋和與其協同工作的ADC采樣相結合。 數字反饋回路的優點 DSC的數字特性消除了典型設計中的溫漂和大量模擬元件的變化，因而可使系統誤差最小，繼而也降低了變壓器和電感等元件的尺寸和成本。如果產品要求設計能夠適應變化的環境，則必須能在運行時重新配置DSC的參數。采用模擬設計無法實現這一功能。 一個DSC可取代多個模擬控制器（如PFC和DC/DC），前提是電源轉換級之間緊密協調或對多個輸出進行獨立的電源控制。執行多個獨立電源控制回路的能力較傳統控制器，能提供更精確的輸出調節。 適應性很強的系統設計也需要具備執行多個控制回路的能力。以采用模擬控制器實現的標準多相降壓轉換器為例。相與相之間的關系在設計時固定，而且特定電壓下的功能也是固定的。運用DSC采用數字控制回路實現同樣的多相降壓轉換器后，相與相之間的關系可以隨時改變來滿足變化的負載條件。在負載下降時，可以禁止一相來減少開關損耗，而其余相可繼續工作在連續電流模式下。這與現代的V8引擎在馬力需求降低時停止汽缸運動非常相似。 現在以這個采用數字控制的多相降壓轉換器為例，假設客戶可能不需要100安培條件下的1.8V輸出，而需要4相輸出(例如：1.2V @ 20A、1.8V@ 20A、2.5V @ 15 A和3.3V @ 10A)。可以很方便地調節數字控制器以使PWM相互關聯或相互獨立。用修改過的參數來更新DSC閃存可使基本的電源轉換電路提供不同的功能。 DSC讓電源設計人員能夠開發新的電源轉換拓撲和控制策略，而這些拓撲和策略是采用現成的標準模擬PWM控制器無法實現的，除非愿意等待模擬器件供應商設計并銷售滿足需求的控制器。 模擬PWM控制器需要電阻和多個引腳來設置選項；而DSC使用代碼使芯片更小。模擬PWM僅提供了少數選項，而DSC則能夠完全重新配置。此外，模擬PWM通常會在上電時鎖定到一種工作模式，而DSC則可以動態重新配置以應對變化的條件。 如果產品要求設計能夠適應變化的需求，就需要對DSC重新編程。而在模擬設計中，需要丟棄舊模塊而用一個新的來替代。通過片內閃存，DSC可以簡化電源的生產裝配線——可根據客戶的電壓和/或電流要求對一個硬件設計進行配置。可以通過對閃存進行編程來執行電源的調整和校準， 從而無需調節電位器或對電阻值進行激光調節。 數字控制的其他優點 采用DSC實現數字電源控制器，可向系統添加很多額外的功能，而不會增加系統成本。 如果產品要求在系統啟動和關斷時，協調多路輸出電壓，DSC可以提供這樣的功能而不會增加成本。相反，在系統中部署模擬的電源時序和跟蹤器件將會非常昂貴。在故障條件下，許多產品要求協調多路輸出電壓。這是因為，如果一路輸出電壓發生故障，則通常必須降低或關斷其他輸出電壓以防止負載電路（如主板）進入“栓鎖”狀態。 如果設計要求電源轉換過程與外部事件或其他器件同步，DSC也能在不增加成本的情況下提供這種功能。具有這種功能的標準模擬PWM控制器比普通的模擬PWM控制器要貴得多。此外，還可以將多個DSC組成菊花鏈，以提供更多相互協調的資源。 在特定的應用中，需要比較和監視傳感器的信息，比如那些在風扇控制和故障檢測以及溫度監視中使用的傳感器。DSC可利用那些不被數字控制回路使用的處理器資源來執行這些額外的任務。 在電信和其他重要應用中，系統電源通常由多個獨立的電源模塊實現，這些模塊所提供的總電源超過了系統的需求。這樣做能夠保證在某一電源模塊出現故障時，剩下的電源模塊能繼續為系統供電。這些電源模塊用導線連接在一起，這會強制每個電源模塊平均地輸出所需總電源的份額。（這稱為“負載均衡”。）DSC能在不增加成本的情況下實現負載均衡。事實上，模擬的負載均衡接口器件比許多模擬PWM控制器都昂貴。 與“負載均衡”相關的一個功能稱作“熱插拔”。當負載均衡應用中的一個電源模塊發生了故障，用戶往往希望技術服務人員能在系統仍在運行的情況下將壞的電源模塊換成新的。熱插拔要求電源模塊能以受控的方式禁止和使能自身，并控制其行為以不干擾其他電源模塊的工作。采用模擬器件實現“熱插拔”功能會非常昂貴。 如果系統已經要求微處理器來執行其他任務，則DSC在控制電源的同時，也能執行這些任務，因此減少了元件數，降低了成本。 如果系統需要錯誤記錄或通信功能，DSC能夠提供這樣的功能，而模擬控制器是不可能提供的。DSC使電源設計人員可以測量諸如功率和效率等復雜物理量。并且，DSC能使用這些信息來幫助設計人員使其響應特性適應任何變化的負載條件。 數字回路控制還有一個潛在特性，由于修訂工作能通過軟件完成，因而在新產品的開發過程中無需采用昂貴的多層電路板，從而節約時間和成本。通過加載用于電路板測試的易用測試軟件或在單一硬件之上定制多個產品，能進一步降低產品的開發成本。 數字回路控制的注意事項 對嵌入式系統設計和MCU編程等課題進行學習可能是一個必經的過程，特別是對于慣于采用分立式模擬電源解決方案的設計人員。幸運的是，我們提供軟件工具、參考設計和軟件庫，這些可簡化學習的過程。為特定的應用選擇合適的DSC對設計成功與否至關重要，對所需的DSC功能進行仔細的考慮，是很重要的一步。為一個應用選擇DSC要考慮的關鍵因素是要確保片內PWM模塊能為電源設計提供足夠的分辨率。DSC的片內ADC的分辨率和速度向系統提供輸入到控制回路的狀態信息（反饋），因此ADC也應具備足夠的分辨率。因此，所選擇的DSC應帶有適合電源應用的片內PWM和ADC。 所選的DSC還應帶有模擬比較器。這是因為ADC能持續監視信號并以不超過其最大采樣速率（單位為每秒兆次采樣（MSPS）的速度進行采樣。但是，如果被監視的信號僅需與一個固定的限定值進行比較，單單采用帶有ADC的DSC對處理資源是一種浪費。片內模擬比較器釋放了處理器和ADC，使之能執行其他更有價值的任務，同時仍允許選擇的DSC支持快速電源故障處理和限流功能。 正確的選擇以控制器為核心的DSC（如圖2中的示例）可簡化實現控制算法的任務。通常，數字控制回路是以比例-積分-微分（PID）算法實現的。但是，不需要復雜的DSP編程技術來處理以控制器為核心的DSC的DSP功能。 現代的DSC還能提供監控功能，比如能在軟件或硬件發生故障時復位系統軟件和硬件的看門狗定時器（WDT）。 WDT通過使數字控制系統復位或至少進入安全狀態，增強了系統的可靠性。 結論 本文討論了數字反饋回路為電源設計人員及其設計所帶來的好處。模擬PWM控制器基本上是無功器件（某些控制器具有某種限制前饋的功能）。這意味著它們不可能在條件大幅變化的情況下提供較好的性能。相反，在電源中實現數字反饋回路允許模擬電源轉換過程和負載變化過程。這提供了很多益處，比如，增強了可靠性，減少了元件數，能提供更好的瞬態響應以及動態改變拓撲和從單相輸出切換到多相輸出。而且，還允許通過軟件而不是硬件在生產完成前對設計進行定制。 |
