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推动电源创新与定制的数字反馈回路

Microchip Technology公司 Keith Curtis?? 2008年11月14日 ?? 收藏0

  数字回路控制注意事项

  在SMPS应用中使用DSC应考虑的关键因素是要确保片上PWM模块能够为电源设计提供足够的分辨率。DSC上的ADC为系统提供至控制回路的状态(反馈信号),其也应该有足够的分辨率和速度。接下来,重要的是挑选DSC,DSC的片上模拟比较器要为产生脉冲宽度提供足够的速度。ADC可以替代比较器,用来终止PWM脉冲,但ADC得连续地监控和处理信号。这是对处理能力的浪费,因为被监控的信号仅仅与固定的限值进行比较。高速模拟比较器解放了处理器和ADC,让它们执行其他更有价值的任务,同时使得DSC能够执行电源故障保护和电流限制功能。

  此外,如果DSC的ADC模块能够提供独立的采样保持电路,那么这样的DSC会很有用。于是,DSC能够在准确的时刻同时对多个电压或电流信号进行采样,这样甚至能够对持续时间短暂的信号进行采样,有助于降低系统成本。如果ADC能够进行异步采样就更好,因为它能支持工作在不同频率下的多重控制回路,诸如运行在70kHz的功率因数校正电路和工作在250kHz的DC/DC模块。

  SMPS设计中的PID算法

  使用PID算法(见图4),把偏差——实际输出电压与期望值之差——的比例、积分和微分组合在一起,控制PWM占空比。电压及电流模式控制回路中均可采用PID算法。同样的,有些DSC并不需要复杂的DSP编程技能,因为它是在熟悉的MCU环境中把DSP功能当作外设来提供。

PID控制循环的软件结构

图4? PID控制循环的软件结构

  大于50%的占空比可能会出现电流模式的稳定性问题。但是,通过PID软件可以方便地进行处理,软件设定了期望的电流大小,所以按比例缩放DAC值非常简单。这就使得斜坡补偿的数字实现,要比使用模拟技术更加容易;使用模拟技术的话,斜坡发生器要与PWM脉冲进行同步,还需要一个把斜坡信号与电流反馈信号相加的求和点。使用这种方法,得到的是电流模式的SMPS设计,与运行在1~2 BIPS的快速控制器相比较,设计是基于经济的、MIPS更低的DSC的。例如,Microchip的dsPIC30F202X DSC具有高精度数字PWM发生器、额定采样速度为每秒两百万次的ADC、带关联10位参考DAC的高速模拟比较器以及30 MIPS高性能具备DSP处理能力的控制器。

  PID控制循环是控制软件的核心(见图4)。每当ADC中断定期发生时,就运行该软件。诸如电压斜坡上升/下降、偏差检测、前馈计算这样的系统函数以及通信支持程序应该在空闲循环(Idle Loop)中执行,其目的是要减轻PID控制软件中不必要的工作负担。

  由于软件中PID循环是时间要求很高的部分,为了高效使用DSC的资源,PID循环占用的可用处理器带宽不应该超过66%。这样,就给设计留下了足够的处理器能力,以便处理诸如通信等在空闲循环中执行的函数,或者处理诸如软启动和定序这样的支持函数。在基于30MIPS DSC的SMPS应用中,PID循环由30条指令组成,执行时间约为1μs。如果循环速度保持在500kHz(约2μs)的话,PID控制循环使用可用处理器带宽的一半,即15MIPS。

  SMPS中数字反馈控制的优点

  在电源中使用数字反馈控制有若干优点,优点主要是关于灵活性的,让设计人员拥有了更多的自由,更大的创新空间。前面已经提到,设计中经常考虑的问题是:在设计实现时有没有合适的技术可利用。DSC的优点在于其可配置性,使设计人员能够开发出针对所需设计的适当技术。例如,如果电源必须在启动和关断期间协调多个输出电压,或者必须在一组独立的功率转换模块之间进行负载或电流共享,数字反馈控制无需额外支出,就能提供这样的功能。如果使用模拟元件以这样的方式来定制电源的话,成本将非常高昂。

  另一个优点在于能够实时地改变系统,或者说拥有“热交换”(hot-swap)功能。例如,在电信或其他任务至关重要的应用中,如果电源模块出现故障的话,服务技术人员可以在系统继续工作时,用新电源模块来替换故障模块。使用模拟元器件的话,这种“热交换”功能将会非常昂贵,但如果电源是通过DSC进行数字控制的话,就极具成本效益优势。

  此外,如果电源必须应对不断变化的需求的话,可以方便地对DSC重新编程,以便满足要求;但是对于基于模拟的电源设计,就必须从头设计新的模块。还有,由于有片上闪存,DSC能够简化电源生产装配线,即可以对一个批次的硬件设计进行配置,以便满足客户不同的电压和/或电流要求。电源微调和校准也可以通过对DSC的闪存进行编程来实现,从而不需要微调电位计或由激光微调电阻。数字电源还能够载入测试友好的软件,用于开发板的测试,或者,基于相同的DSC硬件平台,生产多种定制产品。

  结语

  关键之处在于,数字功率转换的好处众多;通过使用片上支持电源的外设的DSC,设计人员现在能够以一种简便、兼具成本效益的方式领略到这些优点。数字电源让设计人员拥有更多的自由,更大的创新空间,能够设计出可靠性更高、灵活性更大且可响应瞬态变化的电源,而且可以在生产末期通过固件来方便地进行定制,而不是通过硬件来进行。


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