多频技术改进数字电源转换

只看该作者 · 2016-11-1 16:59

几十年来，电源转换器拓扑结构一直以模拟技术为基础。虽然大多数转换器采用开关技术和脉宽调制（PWM），但出于功率半导体器件在处理层面上的兼容，以及成本效益的考虑，电路构成主要为模拟。不过，这种情况正在改变。在显著提高数据中心和电信系统效率的过程中，模拟技术及其电路暴露出自身的缺点。

数字电源管理和控制提供实时智能，便于系统开发人员构建电源系统自动适应运行环境的变化，并优化每种特定应用场合的效率。智能数字电源IC可以自动补偿负载和系统温度的变化，利用自适应死区时间控制、动态电压调节、频移、相数降低和电流不连续模式的切换来实现节能。

数字电源给人造成费用高的感觉一直是其被快速接受的一个障碍，不过，最新推出的器件正在迅速消除模拟与数字控制之间的价格差异，例如Intersil的ZL8800。数字电源效率和成本现在相当于，甚至优于模拟电源转换解决方案，同时具有更先进的功能。

最重要的是，脉宽调制（PWM）、环路控制和反馈采用数字化方式。模拟信号采用模-数转换器（ADC）转换为数字信号，信号经过数字转换之后，微控制器、数字信号处理器或计算状态机可以控制数字脉宽调制和反馈回路。这对于维持稳定性具有重要优势，不存在模拟控制经常出现的响应速度下降问题。

虽然数字控制具有很多优点，但大量厂商并没有充分利用这种技术所具有的优势，许多情况下，只是核心模拟PWM技术采用数字形式。数字控制得以构建更加灵活的控制环路，利用多频控制调整每种算法，处理不同速度条件下发生的事件。

传统数字PWM控制器使用均匀采样。控制器采集输出电压误差样本，根据采样结果计算下一开关周期所需的占空比。均匀采样控制器的不足之处是，从误差采样到PWM控制器切换电源电路存在时延或群延。群延造成相位滞后，这种滞后随频率增加，并限制最大闭环带宽。

多频控制可以提供稳定电源，而且几乎可以立即对电压的突然变化做出反应，即在一个PWM开关周期内做出相应响应。这种转换架构实现这一能力的唯一方法是利用变频开关技术，在电压迅速变化时采用更高的频率采样和控制。但这种方法对许多系统并不适用。现代电信设备以及其他严格要求电磁兼容性的应用需要在固定频率下工作，以保持严格控制的噪声频谱。

另一种方法是采用与误差电压偏差呈线性关系的比例增益。采用比例增益的固定频率控制可以实现单周期反应，但快速响应环路增益会导致不稳。

Intersil开发的、用于ZL8800双通道/双相DC/DC控制器的电荷模式（ChargeMode）技术采用均匀和多频采样混合方法，在一个开关周期内对误差进行多次采样并计算调制信号。这种技术大大降低了群延，因此支持非常高的工作带宽。由于缩短了群延，显著降低了相位滞后。ZL8800还采用双沿调制器，在总群延方面优于与其竞争的‘前沿’调制器。

图1显示ZL8800双采样技术。采用其中任一采样率时，总延迟（tdelay）等于ADC转换延迟和计算延迟之和（包括通道/滤波延迟）。如图1所示，采用更高频率NxFsw时钟时，ZL8800的tdelay明显低于传统均匀采样PWM调制器。

结合高频采样误差信号，ChargeMode控制器以新颖的策略消除只采用高环路增益而产生的不稳定。这种策略将变化的影响定位在一个或几个工作周期。如果占空比变化的影响延伸到下几个周期，就会产生不稳定。数字控制可保证在一个开关周期中实现占空比的变化来调整突然发生的电压偏离，而不影响下一个或下几个周期。这种技术称为“单周期响应”（ASCR）数字补偿。

图1 – ZL8800数字PWM调制

补偿器框图如图2所示，其结构在许多方面类似常规PWM控制策略中使用的传统数字比例-积分-微分（PID）控制器，但具有明显差别。图中显示补偿器如何集成多频采样技术。补偿器有两个并行通道，用来处理量化的误差电压。其中一个称为“快速通道”，以高于“慢速通道”的频率采样误差电压。采用这种新型补偿器结构，占空比命令被反馈，以确定快速通道的影响，并在后面的周期中消除快速通道的影响。

图2 – ASCR数字补偿器

ZL8800补偿器结构减小即时误差采样以及占空比响应的延迟。这样可以提升高频段的相位，从而保证稳定性并支持高带宽设计，如图3所示。

采用多频采样和控制电路，ASCR补偿器可以实现稳定的控制环路，只需根据带宽规格进行调整。在很宽范围输出滤波器配置范围内，仅需调整ASCR增益即可达到所需闭环工作带宽。为提高性能，用户可以控制第二个参数：余量。这是一个衰减系数，主要用于设置环路的响应速率。

图3 – 高频段相位提升

传统多频采样技术的潜在缺点是，反馈环路中会因误差过采样产生开关频率谐波。ZL8800在快速通道中采用低延迟纹波滤波器解决这一问题–全面滤除所有重复纹波分量。剩下的全部为波形中的非周期性分量，包括延时很短或无延时的瞬态阶跃，结果是20dB以上纹波抑制以及没有明显延时从而有助于提高增益和带宽。

PWM控制只是整体解决方案的一部分。由于数字控制器采用高度集成的混合信号芯片技术工艺，因此可以集成电源管理和电源转换。

最新一代基站、路由器及其他数据通信基础设施中的先进电源系统，在设计上采用串行电源管理总线（PMBus）传输数字信令。PMBus已成为电源转换系统采用数字通信总线通信的标准协议。采用PMBus和基于PMBus的器件进行电源转换，具有传统模拟电源系统不具备的灵活性和控制能力。即使增加电源，采用PMBus也十分简便。支持新电轨的数字电源IC含有自己的SMBus地址，可以添加到系统中，不必由于增加电压轨重新编程，或增加额外的独立电源管理IC。在PMBus支持下，新电轨可自动集成到标准监控、时序控制、余量微调和故障检测机制中。

数字控制能力可以更进一步提高。例如，Intersil单线数字直流(DDC)串行总线可以在电源IC之间相互通信，支持复杂的分布式功能，如IC间相位-电流平衡、时序控制和故障扩散等，消除了通常需要大量外置分立器件所构成的复杂电源管理功能。

软件的使用使得甚至可以在PCB组装之后进行器件编程，极大地方便了原型设计以及半定制子系统的系统调试。虽然一些先进电源系统在利用数字电源管理器件功能的时候，可能需要用户掌握设置命令和功能的丰富编程和编码经验，但Intersil为基于ChargeMode技术的器件编写的PowerNavigator软件，通过USB接口简化了对多个DDC器件的配置和监控。这个工具利用简单的图形用户界面调整数字电源设计的各种特性和功能。通过简单的拖放界面，用户可以轻松建立完整的电源管理环境，不必编写一行代码。

因此，通过结合更加先进的数字处理、通信和软件控制，数字电源可以提供更加高效的电源并且缩短设计周期。