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单片机外设的发展使电流模式数字电源设计更为容易

Keith Curtis?? Microchip公司安防、单片机和技术开发部主任应用工程师?? 2007年05月15日 ?? 收藏0

  早期的开关电源(SMPS)设计采用“电压模式”标准控制方法。一个锯齿波发生器驱动电压比较器的一个输入端,同时误差放大器/环路滤波器输出的误差信号驱动比较器的另一个输入端。这样得到的是一个仅由误差信号决定的脉宽调制(PWM)脉冲。在这种工作方式下,如果电感线圈中的电流在PWM脉冲关断期间没有充分放电,那么可能会使电感线圈磁场不归零而产生磁移现象。最终导致电感磁芯饱和,从而使电感线圈中的电流突然增大。通常,这会导致开关晶体管的灾难性故障。??

图1带有自动关断功能的基于计数器的PWM


  随着SMPS设计越来越成熟,人们开始使用更为安全的“电流模式”控制方式。在电流模式控制的电源系统中,原来驱动比较器一个输入端的锯齿波发生器被由电感电流驱动的电流反馈信号取代。在这样的系统中,电感线圈中的峰值电流直接由误差信号控制,从而避免了电感磁场的磁移现象,这延长了无数开关晶体管的使用寿命。?? 采用电流模式还带来另外一个好处:利用误差电压控制峰值电感电流,从而电感就成了一个电压控制的电流源。在控制环路的频率响应中,电感作为电流源不会再形成极点。这样,整个控制环路从绝对不稳定系统转变为有条件

的稳定系统,从而使得环路滤波器的设计更为简单。

  那么,既然电流模式控制有这样大的优点,为什么数字SMPS设计仍然采用电压模式控制呢?原因在于为监控电流反馈而采用的方法,以及实现有效采样速率所需的速度。例如,让我们考虑一个8位PWM分辨率的500 kHz系统。采用电压模式配置,PWM的分辨率使我们对脉冲占空比的控制限于0.4%(100%/256)左右。此外,电压反馈要求每个脉冲至少采样一次,即每秒50万次,才能够为内部软件环路滤波器提供必需的输入。?? 采用电流控制模式时,根据目标PWM占空比分辨率,每个PWM脉冲要完成256次转换才能够获得同样的控制精度。如果最大占空比是50%,那么ADC采样率必须达到每秒2.56亿次。此外,要采集如此大量(2.56亿每秒)的转换数据,将每个数据与误差信号进行比较,并在达到设定电流值的时候关断PWM输出,均需要足够的处理能力。因此,这需要处理器至少每秒执行10亿~20亿条指令(BIPS)。占空比为50%的情况下,就意味着至少要有一半的处理能力来完成每个周期的电流限制。这样的解决办法并非是最经济有效的!

  那么,设计人员在数字SMPS设计中只能采用电压模式了?答案当然是否定的。可行的解决方案是利用一个片上带有PWM外设的单片机或数字信号控制器(DSC),PWM外设的工作方式与电流模式PWM发生器的一样(见图1)。从图1可以看到,在通用的基于定时器的PWM外设上增加了两个混合信号器件:一个电压比较器和一个数模转换器(DAC)。电压比较器提供的关断信号与占空比计数的输出经过与门后连接PWM模块。当占空比计数器到达零或比较器的输出变为零时,驱动PWM输出为零。DAC的输入来自单片机,以生成一个参考信号。这一参考信号连接到比较器的输入端。将这一系统应用于数字开关电源设计时,PWM模块中的计数器启动一个PWM脉冲,DAC生成比较器反相输入端的输入电压(代表所希望的电感电流),而电流反馈输入到比较器的正相输入端。随着电感电流不断增大,占空比计数器的值在递减。如果电感电流先达到设定水平,比较器的输出会终止PWM脉冲,电感开始向输出电容放电。如果占空比计数器先到零,也会关断PWM脉冲。这样就带来了两个方面的优点:一方面是快速电流模式反馈并不需要高MIPS的处理器,同时能够设定最大占空比来实现限流的目的。?

  这一例子还有另一个有趣的特性:在最大占空比关断时,PWM占空比的分辨率仅由计数器决定。而电压比较器关断则由DAC的分辨率决定,因此PWM的正常工作分辨率并不需要PWM外设采用高频时钟。

  我们如何来使用这一系统呢?首先我们先确定设计所需要的PWM频率和最大占空比。然后,利用这些参数来配置PWM的计数器部分。接着,调节参考DAC输出使之能够满足电流反馈信号的预期最大范围。这可为控制PWM占空比提供最高的分辨率。最后,设计软件PID(比例-积分-微分)控制器,获取模数转换器(ADC)输出的电压反馈,并将其与内部数字参考进行比较,适当滤波以保证稳定性,然后再输出期望的电流设定值到DAC,以生成比较器参考(见图2)。??

图2数字电流模式升压变换器原理图


  当占空比大于50%时,电流模式控制的稳定性问题如何?由于电流水平通过PID软件设置,因此当所需要的电流水平超过DAC范围的一半时就可以很容易地对DAC值进行按比例的缩放。数字设计中实现斜坡补偿比模拟设计中更为容易,因为数字设计通过软件实现,而模拟解决方案需要锯齿波发生器与PWM脉冲同步,同时还需要将其与电流反馈进行叠加操作。??

  


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单片机外设? 数字电源? 电流模式?

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