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适合超便携式应用的专用数字化功率转换架构

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如果需调节的系统是完全线性的，即它的工作模式是连续不变，抑或是平滑变化的，那么一般应采用模拟方式。台式机的CPU稳压器就是一个例子，它的输出从空载到满载都必须由相同的算法来连续控制。反之，若系统是不平滑的，则意味着工作模式存在不连续性和变化，此时数字方式可能是更好的选择。

例如，在笔记本电脑或手机的稳压器应用中，为了节省轻载状态下的功率，需要进行工作模式的转换，这时数字技术也许更为适宜。这种情况一般发生在从脉冲宽度调制(PWM)转向脉冲频率调制(PFM)时。因为在PFM模式中，频率会随负载情况进行调整，在较轻负载下以较低的频率工作，从而降低开关损耗。模拟系统中的这种模式变化需要在负载改变时实现从一个控制环(如PWM)到另一个控制环(PFM)的突然转换。这类不连续算法总是在一定程度上导致输出电压调节某种程度的暂时损耗。

与之相反，数字控制在处理不连续性运作方面具有与生俱来的优点，能够在单一的控制算法中解决模式变化问题。此外，数字控制具有实时改变诸如环路补偿等参数的能力，因此电路能适应更大的负载变化和糟糕的布版。它还能够校准系统的外部误差―尤其是外部低成本元件的容限误差。这种优势有可能提高成品率、降低测试费用和BOM成本。

有人或许会问，数字功率技术既然具有这么多优势且备受关注，但为什么市场份额仍很小。答案在于以下事实：数字技术将优于模拟技术，但前提是成本必须相近或更低。因此，只有那些采用具有最低开销的灵活架构来不断解决客户问题、并且与对应的模拟产品相比不会使成本提高的数字功率产品才能获得成功。

数字功率转换实例

在这一节，我们将讨论采用数字突发模式调制方案的升压转换器拓扑。首先将回顾关于升压转换器的一些基本原理，然后研究这种数字实现方法的特性。该实例表明精心的设计能够实现数字控制的所有优点，但不会造成芯片过多而导致相关成本的增加。

升压转换器工作原理

图1所示为不连续电流工作模式下的升压转换器及其主要波形。当晶体管T1“导通”时，开关节点V_SW为低，电感上加载满幅电压V_IN。相应地，在导通持续时间内电感电流I_L按下式升高：I_L=(V_IN/L)*T_on。当T1关断时，电感电流经由肖特基二极管D1向输出节点V_OUT放电，使V_OUT高于V_IN。在电感电流达到零后，开关节点将保持在VIN电平不变直到下一个周期开始。通过在每一周期使电感电流置零，不连续电流工作模式消除了不规则电流造成系统不稳定的可能性。

图1：不连续工作时的升压转换器及其波形

数字调制器

图2为包含了数字调制器的完整控制回路，这是对传统突发工作模式的改进。在传统的突发模式中，具有恒定频率和占空比的脉冲序列通过栅极发送出去，对输出电容充电，再馈入负载。当输出电压值超过参考电压时，脉冲序列停止发送，一旦输出低于参考电压，新周期便会立即开始。

图2：具有数字调制器控制环路的功率转换方案

数字控制方案优于传统突发模式之处在于：具有按输出需要调制导通脉冲持续时间(T_ON)的能力；例如，负载越大，导通脉冲持续时间越长，反之亦然。系统产生恒定频率的PWM脉冲串(系统时钟SYSC=500kHz)，其导通时间可在更高频率下被调制和解调(高频时钟HFC=8MHz)。

例如，随负载加大输出电压下降，比较器把加/减计数器(up/down counter)切换到加模式，于是占空比增大(调节速率为每2微秒增加0.125微秒)，使输出电压升高，当比较器检测到输出电压高于参考电压时，它就停止从栅极发脉冲给功率器件，并把加减计数器切换到减模式。在重复这一过程中，恒定频率的脉冲突发以合适的占空比被发送到功率开关(及线圈)。在脉冲突发与脉冲突发之间，线圈有时间完全放电，确保了系统的稳定性。

图3例示了电流负载减小时对应的线圈电流和V_SW电压节点波形，这种情况下，控制环路由于输出电压过高而停止发送脉冲(未在图中显示)。这是从重载转向轻载的一个典型转换，同样由执行了从PWM模式向PFM模式平滑转换的控制环路来完成，而若由模拟实现来完成的话，通常会更加困难。

图3：PFM/PWM波形

实例介绍

这种数字控制环路可在飞兆半导体的LED驱动器升压转换器FAN5608中实现，其应用原理图见图4。

图4：FAN5608应用框图

该器件从2.7V到5V的输入电压(如锂离子电池)产生经过调节的输出电流，用以驱动两个独立的LED串，每串可达6个LED，最大输出电压高达18V。在此应用中，由一个有4个LED管的LED串为显示器背光供电，另一个LED串为键盘背光供电。控制环路调节内部的两个灌电流节点CH1和CH2的电压。因此，V_OUT与两个LED串中的二极管数目成正比。