数字电源控制解析

传统上，开关电源(SMPS)的控制由纯模拟电路执行。低成本、高性能数字信号控制器(DSC)的出现，为充分发挥数字电源的优势提供了可行方案。数字电源的优势主要体现在：与模拟电源相比BOM成本的降低；控制灵活性和控制高级拓扑的能力；在不增加成本的情况下实现增值功能。

 

数字PSU节省成本

图1展示了通用两级模拟交流－直流电源的高级别框图，主要功能包括：

功率传输电路：半导体开关、电感、电容和电源变压器。

电源开关驱动：栅极驱动器和支持电路。

反馈：传感器、放大器和电阻网络。

控制：专用于每个功率级的控制器。

后台处理：用于排序、监控和通信的专用微控器和支持电路。

图1——从高级别角度显示了传统模拟控制的开关电源中的主要功能模块。

为进行比较，考虑使用两级电源。前端转换器为升压功率因数校正(PFC)电路，而第二级为直流－直流相移全桥转换器。

其中的一些部分，例如功率传输电路、驱动和反馈电路等，在模拟和数字电源中基本上是相同的。图2展示了对应于同一示例的数字电源。对于此电源的数字版本，可以将专用模拟控制器和后台处理MCU的功能，合并在单个dsPIC DSC中。

图2——在与图1的PSU相同的数字控制实现方案中，软件取代了多个用于实现主要功能的硬件。

图1和图2仅显示了二者的主要区别，然而，在进行比较的时候还应包括所有支持电路。模拟电源的每个级通常都需要提供辅助电源的电路，再加上前沿消隐、振荡器、顺序控制、软启动和补偿功能，所有这些都与中央控制器相连接。数字实现方案仍然需要针对辅助电源电路的硬件，但刚才提到的所有其他功能，都变成了运行在中央控制器上的软件。这样一来，不仅所需元器件变少，而且物理连接(PCB走线)也会大大减少。分析物料清单时，应考虑支持电路的成本、布线复杂性以及PCB尺寸。在模拟实现方案中，上述某些功能可能仅需要几个无源器件，但是实现其他功能则需要较高成本(例如，执行后台处理功能的独立MCU)。

有人可能会说：数字解决方案需要使用专门的MOSFET栅极驱动器，而模拟解决方案则可以提供片上栅极驱动器。确实，对于低功率设计而言这是事实，但大部分高功率模拟设计仍然需要使用外部栅极驱动器。

对BOM进行详尽的成本分析，总能得出这样的结论：数字电源的总成本远低于具有同等功能的模拟设计。元器件成本的简单相加只是其中的一部分，数字电源提供更简单的布线、更小的PCB、更低的PCB制造和装配成本以及更高的质量和可靠性，从而能进一步节省成本。

 

效率优化

近年来，功率晶体管性能的不断改进和新型拓扑的应用，已使电源效率得到显著改善。但是，标示的最大效率数值通常只适用于某些特定工作条件(最大效率可能是在半载或高线路电压的情况下指定的)。数字电源的功能更为多样，可优化多个工作点处的效率。

对于PFC升压转换器，可以使转换器工作在较低的开关频率下，从而降低负载较轻时的开关损耗。由于负载较轻，磁性元件仍然可以在开关频率较低的情况下正常工作。如果采用交错式PFC转换器，则可以在轻载时关闭一个相。

同样，对于相移全桥转换器，可以通过关闭同步MOSFET的开关操作并改用器件的内部二极管，来消除轻载时的额外开关损耗。

在降压转换器应用中可找到另一个示例。同步降压转换器通常适用于高电流输出的情况。但是，使用同步MOSFET会导致在轻载时发生环流，进而产生较高损耗。因此，当转换器工作在不连续电流模式时，可以禁用降压转换器中的同步/续流MOSFET。

这些技术可对使用高级拓扑(例如谐振和准谐振转换器)获得的效率增益进行补充。为了实现非常高的效率和功率密度， 数字控制完全支持这些高级拓扑，包括相移全桥和LLC谐振转换器。因此，数字控制提供了多个选项，用于优化电源在整个工作范围内的效率。

 

电源管理

典型的模拟电源使用后台处理MCU(图3)来满足其电源管理要求。此后台处理MCU将本地系统参数发送到主控制器或数据记录器：它使用额外的检测电路收集所需数据，然后重新发送。在某些情况下，远程系统也可以发出指令来控制本地电源转换器的工作。这种配置需要在后台处理MCU和电源转换电路之间添加硬件接口，因此会增加成本和复杂性。

图3——主功率传输通路控制以及电源后台处理功能(在模拟设计中分别用单独电路实现)在数字版本中由单个控制器一起执行。

数字电源则不需要这种额外电路，因为DSC已测量所有系统参数。这些参数可以存储在DSC的存储器中，然后通过片上通信外设(例如SPI、I2C、UART或CAN)发送到远程系统。还可以通过简单的软件程序对系统运行情况进行任何更改，不需要额外的硬件。

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数字电源还去除了冗余电路，这也降低了系统的整体成本。在同一个两级交流－直流电源示例中，第一级测量其控制环工作时的输出电压。由于此电压为第二级提供输入，因此第二级也将相同数据用于前馈控制或输入欠压/过压保护。

单个DSC去除了冗余测量，而且内部提供了用于不同控制或保护功能的所有选项。与使用分立式模拟控制器相比，DSC还有助于使系统对故障状况的响应更快速且更有效。例如，在两级模拟交流－直流电源中，如果下游转换器发生故障，则在此状况传递到PFC控制器前，前端PFC升压转换器无法识别出故障。数字控制器可以检测到整个系统中的故障状况，因而几乎可在发生故障的同时作出响应，而无论故障发生在何处。

 

软启动和排序

电源首次启动时，各种储能元件(例如电容和电感)均不含能量。为避免产生大电流和电压瞬变，以及随之而来对系统元件产生的压力，在电源的所有级中都采用软启动。许多(但并非所有)模拟控制器都提供内置软启动功能。带额外电路的模拟控制器，在选择软启动持续时间和启动延迟方面的灵活性有限。

在多级电源中，还需要以预定义方式对输出进行排序，因为有些输出依赖于其他输出。这可以使用单独的排序芯片或使用带额外电路的后台处理MCU来实现。

数字电源则不需要额外的硬件，因为所有排序和软启动程序(可采用多种策略)可以作为电源控制软件的一部分来实现。对电源的每级都可以实现一个软启动程序，并且每种情况都结合了可配置的持续时间和延迟。列表1中的C代码段显示了一个典型的软启动程序。

列表1——此代码段显示了在源代码级通常如何实现软启动功能。

在该代码中，初始化dsPIC DSC后，立即调用软启动程序。首先会调用启动延迟，然后将参考输出电压设置为测量的输出电压。然后参考值将以固定值递增，直到最终达到所需的参考值。此时，软启动程序结束，系统开始正常工作。数字控制器允许非常灵活地使用该软启动程序。可以在不同时间使用不同的参数调用相同的程序。例如，如果系统在发生故障后尝试重新启动，可以将启动延迟和软启动持续时间修改为不同的值。

 

前沿消隐(LEB)

大多数电源转换器的电流反馈信号必须经过滤波，才能消除测量中的噪声以及避免限流和故障电路误动作。开关动作越快，产生的噪声电平就越高，此噪声也会出现在反馈信号中。在某些情况下，MOSFET开关瞬间所产生的噪声尖峰甚至会超过设置的最大电流。

在不对波形产生不利影响的条件下，使用模拟技术，很难将此噪声从电流反馈信号中滤除。为了确保精确的控制环操作和限流保护，需要保持波形完整。因此，通常会采用LEB技术，使控制器忽略接近于PWM开关沿的反馈信号中的噪声尖峰。

对于模拟控制器，这涉及到设计一个硬件消隐电路，从而在固定时间段内禁止(或“消隐”)对反馈信号的响应。检测通常通过由功率MOSFET栅极驱动控制的晶体管开关，通过R-C延迟实现。该延迟可确保测量电路不会“看到”每个导通周期一开始的情况。在dsPIC33F“GS”系列器件中，LEB是标准功能，延迟则通过软件参数进行设置。可以随时使能或禁止LEB功能，用户可以选择要消隐哪些PWM沿。

 

自适应和非线性控制

数字电源控制器具有在运行时改变电源工作情况的能力。此功能为创新以及取得比市场上其他产品更有竞争力的优势提供了大量机遇。

自适应控制能够使用多组控制环系数。由于系统性能在不同的线路/负载条件下有所不同，可以实时修改系数以在每个工作点都达到最佳性能。

再举一个例子，假设系统的额定工作温度最高为50 C；但是，由于某种原因，环境温度超过了此限制。在这种情况下，可以编写软件来减小限流设置。这种实现方法可帮助系统安全地工作在常规限制范围之外，尽管会有一些额外限制。

作者: Bill Hutchings

高性能单片机部产品营销经理

Microchip Technology Inc.