电源控制迈向数字化时代

近年来，越来越多厂商开始在电源控制器中加入数字控制架构，Predictive Gate Drive或简单的电压过低锁定（UVLO）功能即是最佳范例，全数字化电源控制的出现仅是时间问题。本文将探讨数字化电源控制带来的诸多优点，以及TI对此提出的解决方案。
控制器迈向数字化的原因
虽然目前多数电源控制仍以模拟方式设计，但是近年来，越来越多厂商开始在电源控制器中加入数字控制架构，多数电源设计人员并未觉察此一改变，主因在于依然可用模拟方式来设定控制元件的功能，Predictive Gate Drive或简单的电压过低锁定（UVLO）功能，就是在模拟式电源控制器中增加数字控制架构的绝佳范例，这些范例证明瞭全数字化控制的出现只是时间问题。

模拟控制与数字控制的主要差异在于电源供应操作参数的格式。模拟元件通常包含比较器与放大器，让信号尽可能地保持在模拟状态，并透过电阻和电容等被动模拟零件来设定开关频率和软启动（soft start）时间等组态参数。相形之下，数字元件通常包含资料转换器和计时器，让信号能尽快转换为数字资料，组态参数的设定是利用资料存储器，它有可能是非挥发性（non-volatile）或挥发性存储器。
选择数字控制的理由
■（1）弹性
「弹性」是让数字控制技术获得青睐的主要原因之一。透过数字控制，电源供应设计人员将不再受制于控制元件内部以硬件线路实现的决策流程（decision tree)。举例来说，当电流过载时，通常的操作是把电源转换器关机后再重新启动，没有其他选择的空间；电源设计人员若想改变预设的处理方式就必需增加许多额外电路。一旦有了数字控制器，当电流过载出现时，电源设计人员便可以选择要接受短时间负载过大所造成的电流过载现象，或立即关闭电源供应。设计人员可以自由选择特定事件的最佳处理方式，使他们能够发挥出功能更先进的复杂演算法。设计人员还能利用数字控制器的弹性来实作适应性控制机制，例如根据Pout/Pin的计算结果将电源供应自动设在效率最大的操作模式，或是在电源供应进入非连续模式后自动调整补偿参数。控制迴路应随着不同的操作模式与不同的转移函数（transfer function)相应改变，才能在两种操作条件下都提供最好的效能。透过数位控制技术，补偿参数的改变只要一个时脉週期就能完成。

■（2）通信
「通信」是另一项驱动数字电源控制的力量。数字元通信介面不仅能让主机或系统层级处理器监控电源供应，还可做为作业中可程式功能（on-the-fly programmability）或其他数字作业的进入点。许多采用VID代码的处理器应用早已使用数字元通信介面。
除了支援程式设定外，通信功能还可以让系统从远端记录电源供应的操作状态。这些资料的变化（例如温度升高或输出电压涟波变大）可能是故障即将发生的前兆。这些趋势可用来预测故障以增强系统的可靠性，同时避免系统停机并提供智能型故障管理功能。

■（3）可程式能力
电源供应软件的可程式能力让这些功能得以实现。可程式能力可透过软件轻易修改参数来设定，这不仅能推广以平臺为基础的应用设计方式，还可加快新产品的上市时程。产品差异化是软件工程师的责任，并且已不再受到模拟控制器既定的硬件电路限制。数字元控制器可以整合原本须由外部零件提供的许多功能，厂商只要用较少的零件就能完成复杂的电源设计，这能降低生产成本并提高可靠性。

■（4）精确性
上述特色都是可程式能力带来的好处，也是数字电源控制器最重要的独特优势。除此之外，数字电源控制的精确度也远超过模拟控制。设计人员利用模拟技术设计电源时必须将零件的容许误差列入考虑，例如零件和半导体制造过程的误差会使同一款电源的开关频率以及迴路补偿值无法完全相同（除非它们同步操作)。设计人员在选择零件时就必须将最坏情形列入考虑。相形之下，数字电源供应控制器的开关频率来自于精确度极高的石英振荡器时脉，其补偿值也是储存在存储器的数字。这不仅能提供极为精确的控制能力，还可将设计调整到更接近理论上限值以实现更高效能。

■（5）成本
电流感测临界值的容许误差使功率级电路常须采用超规格设计（over-designing）以因应可能出现的最大误差。数字控制电源则可自我校准来消除这些误差，让功率级电路不必为了应付最大可能误差而采用超规格的设计，这可使电源供应的零件更小、体积更精巧、成本也更低。由于电源供应的成本主要来自功率级，这种做法将省下可观的成本。

■UCD7K系列
UCD7K Fusion Digital Power控制驱动元件（图 1）可做为数字电源控制器与功率级电路的介面，让数字元控制器透过UCD7K系列直接控制功率级电路。可程式模拟电流过载限制功能与旗标不仅能在数字控制器无法及时对故障做出反应的罕见情形下保护电源供应，还能提供偏压给数位控制器。UCD7K系列所采用的TI TrueDrive技术可在MOSFET的米勒平坦区（Miller Plateau）提供大电流驱动能力以支援高速切换。

图1：全数字化控制的隔离式顺向电源转换器

■UCD8K系列
UCD8K控制器（图2）整合PWM电路和一个Fusion Digital Power控制驱动器以提供由数字监控的类比回授迴路。UCD8K系列控制器具备数字元电源控制的多数优点，并能搭配较精简的数字控制器。这些控制器专门用于在綫路上已经含有或需要标准微控制器或DSP的数字辅助型电源设计（digitally assisted power supply)。UCD8K系列的电路和功能让设计人员轻易发展出具有高阶控制能力的电源转换器。数字辅助型电源供应为许多电源参数提供可程式能力，例如开关频率、同步、Dmax/V*S限制值、启动/截止电压、输入电压过载保护、软启动方式（Soft-start Profile）、和限流操作等功能，以及输入电压/电流/功率、过载和温度等状态的报告能力。UCD8K系列元件还可经由接脚设定来支援电压或电流模式应用。

图2：采用UCD8620和MSP430F1232的推拉式电源转换器

■UCD9K系列
UCD9K数字电源控制器（图3）内含完整的数字电源管理功能，包括提供多路的数字回授迴路并对其进行监督控制。UCD9K系列还整合多种资源，让设计人员弹性开发自己的数字电源管理智财（IP）。

图3：采用UCD9K和UCD7K的全数字控制型电源供应

UCD9501是以DSP为基础、具有150ps数字PWM解析度的数字电源控制器。这款元件内含100MIPS的32位元元DSP引擎，只要一颗晶片就能控制复杂的多迴路应用。举例来说，一颗UCD9501就能控制双通道交错式功率因数修正电路（interleaved PFC stage）和相位移控制型全桥式电路（phase shifted controlled full bridge）。除了数字迴路外，UCD9501还提供CAN、I2C、SPI等多种介面以便与外界连线。TI 的UCD9K控制器还具备Code Composer Studio软件的支援，这套整合开发环境提供许多重要的开发工具，可以缩短开发时间并简化设计工作。

从上述可以清楚得知，数字电源控制器不仅可强化电源供应的效能，还能带来模拟技术无法实现的各种功能。