一种最佳的数字化开关电源控制器架构
2008-03-31
作者：Ravi Murugeshapp
介绍
数字控制利用模拟技术很难做到的复杂控制算法大幅提高系统效能，这不仅让传统电源架构的效能更强大，还可实现过去由于缺少精密控制算法而无法达成的电源创新。数字控制还能免除容易受到老化和温度影响的外部模拟元器件，进而让系统可靠性获得改善。在线可编程" title="可编程">可编程能力 (in-system programmability) 的加入使得制造商只要修改软件就能调整系统设计、开发客制化产品和缩短设计周期。
数字化电源控制对电源系统设计人员并不新鲜。过去二十年里，包括马达驱动器和三相电源转换器在内的许多应用早就通过通用处理器和DSP实作各种数字控制方法。在这些应用中，电源半导体元器件由于在相对较低的开关频率下操作，因此低效能处理器也能执行复杂的控制和监控作业。开关式电源供应的数字化控制需要高速处理能力和低成本系统解决方案才能实现，这使得系统设计人员有段时间对它们避之唯恐不及。但随着数字控制技术不断进步，数字化开关电源的控制方法、架构和电路实作技术又再引起业界注意。
数字控制器架构考虑
数字化开关电源控制器要在市场上成功，就必须具备低成本和易于使用等优点，同时提供一种方法来实现模拟技术不易达成的功能及效能。此处将考虑三种常用架构：DSP、客制硬件和特殊应用处理器。
图1：数字控制架构
DSP架构 (图1A) 必须对所有相关系统参数进行模拟数字转换，同时由另一颗处理器实时执行控制和管理算法。这种做法虽然很有弹性，但是实际成本、体积和效能却比模拟技术受到更多限制。例如以更高PWM频率操作的应用由于受到DSP带宽限制，其效能或许会输给模拟技术。
硬件式设计 (图1B) 则会用固定架构的硬件状态机器来执行控制算法，这与DSP架构大相庭径。这种架构虽比DSP架构的效能更强和成本更低，却没有任何弹性，必须通过专门设计才能符合特定终端应用的要求。
特殊应用处理器 (图1C) 结合DSP解决方案的可编程特性以及硬件解决方案的效能和低成本，它会利用专属的可规划式硬件来执行效能需求较高的运算，例如各个周期的控制变量计算和电流限制。硬件处理器是由一个效能较低的可编程系统处理器负责管理，它会持续修改硬件处理器的参数，使得系统在任何电源或负载下都能发挥最大效能。系统处理器还会执行系统预测及管理功能。这种架构兼具弹性与效能，故可提供体积更小的低成本解决方案。
数字控制概述
此处将对传统模拟控制与数字控制进行比较。在此之前，我们先简单复习模拟电压模式" title="电压模式">电压模式控制和电流模式控制" title="电流模式控制">电流模式控制。图2即为模拟电压模式控制电路，脉冲宽度调变 (PWM) 周期是由自由型 (free-running) PWM时钟的边沿所启动。这个时钟的边沿会设定PWM锁存器 (以便让电流通过电感或变压器) 并产生一个线性斜坡电压送到PWM比较器。误差放大器则会将参考电压减掉输出电压并加上适当的频率补偿来产生补偿后误差信号 (VERROR)，再由PWM比较器比较斜坡电压与补偿后误差信号，并在两者差异为零时重设PWM锁存器。
图2：模拟电压模式控制
电流模式控制 (图3) 可以调节输出电流，这使它的输出瞬时响应速度比电压模式控制还要快。如前所示，PWM周期是由PWM频率设定锁存器所启动，但控制器要等到电路提供提供充份的电流给负载并使误差为零后才会重设。
图3：模拟电流模式控制
这些控制方法虽不完美，却各有最适合的应用领域。表1总结列出了电压模式和电流模式控制的优点和缺点。
一种最佳的数字控制器架构
Silicon Laboratories的Si825x系列是图1C所示架构的最佳范例。这颗控制器包含一组专属的信号处理硬件和一个内含闪存的可编程管理处理器，前者专门执行滤波器和调变功能等高带宽作业，后者则执行低带宽回路最佳化、系统管理和例外 (exception) 处理等功能。管理处理器并未位于高带宽信号路径，这使它设计更简单、成本更低和更容易进行编程设定。这种做法的弹性虽然不比DSP好，但已能支持种类广泛的开关式电源供应设计。Si825x的处理能力可用来产生更精密的控制算法，同时让这些算法兼具电压模式和电流模式控制的优点以及将两者的缺点减至最少。这种“数字化电压模式控制”实际上就是一种结合多个小型效能增强回路的主电压模式控制回路。
Si825x是采用低成本CMOS技术的单芯片混合信号元器件，可用于各种DC/DC和AC/DC转换器应用。图4为这款控制器的功能方块图。
图4：数字化电源供应控制器方块图
Si825x包含一个电源供应专用的硬件方块DSP和软件可编程的系统管理处理器，前者提供高带宽、完全独立的数字控制回路功能，后者则可执行系统功能。硬件方块控制路径包括高速差动式模拟数字转换控制器 (ADC)、电压参考型数字模拟转换控制器 (DAC)、可编程IIR (Infinite-Impulse Response) 补偿器和六相位DPWM有限状态机器。DAC、ADC与补偿器会合作产生负载周期控制信号来调变6组独立控制的DPWM相位输出。另外还有提供个别周期 (cycle-by-cycle) 电流限制和故障侦测功能的保护电路，它们是硬件数字控制回路不可或缺的一部份。系统管理处理器单元提供一个以指令为基础的引擎，包括一组8通道自排序 (self-sequencing) 模拟数字转换器" title="模拟数字转换器">模拟数字转换器、一组以8051为基础的50MIPS微控制器、四组16位定时器和其它系统外围I/O，它们共同提供系统初始化、控制回路最佳化、故障复原、系统内部管理功能 (housekeeping)、通讯界面、软启动/停止和使用者定义的功能。其它系统功能还包括高精准度 (2.0%) 振荡器、可为DSP和微控制器提供所有必要频率的锁相回路 (PLL) 频率倍频器、存储使用者编程 (user-defined programming) 的非挥发性编程存储内存 (non-volatile memory)、UART和GPIO端口。Si825x还提供监控缓存器和组态缓存器来帮助两颗处理器进行界面连结。
这种控制器的架构类似于模拟电压模式控制。如图所示，Si825x的“控制处理器”架构直接对应于图2的模拟电压模式控制器。它还会像模拟控制器一样利用差动输入模拟数字转换器和数字滤波器组成的“数字误差放大器”将参考电压减掉输入电压" title="输入电压">输入电压。图4的数字误差项u(n) 就像是模拟误差项VERROR。由于输出负载周期也是补偿后误差变量u(n) 的函数，所以数字PWM (DPWM) 就等于是模拟PWM。这款控制器还会利用专属的个别脉冲限流电路在电流达到最大允许值时切断PWM波形，这与许多模拟控制器非常类似。
控制处理器提供系统闭回路控制，系统处理器则提供可编程智能功能来提高效能。系统处理器包含一个高速CPU和一个用来将输入电压与电流等重要系统参数数字化的12位模拟数字转换器。这个CPU可做为多回路控制器并利用12位模拟数字转换器提供的信息将控制处理器的动作最佳化；换言之，这个CPU可以调整开关控制时序、电压参考设定值、保护临界值和回路带宽等控制参数，以便提高系统在所有电源和负载条件下的效能。
根据上述说明，再重新参考表1内电流模式优于电压模式的部份：
- 瞬时响应更快
- 补偿较简单
- 支援电流分担
- 支援变压器磁通量平衡
- 支持个别脉冲限流
- 回路增益不会随着输入电压而改变
Si825x数字电压模式控制则能解决这些问题：
- 瞬时响应更快：非线性控制可用来迅速消除瞬时现象。此处，CPU会在瞬时开始时增加补偿电路带宽，然后继续调整回路带宽直到瞬时现象消除为止 (此后就恢复到回路带宽默认值)
- 补偿较简单：利用软件实作数字控制器的回路补偿功能。这样补偿功能的复杂性就不会影响元器件数目、电路板面积或成本
- 电流分担：CPU可以执行电流分担回馈算法，并以输出电流做为控制变量，补偿后的负载周期变量u(n) 为受控变量
- 变压器磁通量平衡：CPU可以执行回授算法，并以变压器两端的有效电压为控制变量，时序相位对称性 (timing phase symmetry) 为受控变量
- 个别脉冲的限流保护：Silicon Laboratories Si825x之类的数字控制器大都会内建专属电路，用来提供个别周期的电流限制和电流过载保护功能
- 回路增益随着输入电压而改变：CPU可以执行输入电压前授算法，其中输入电压为控制变量，回路增益则为受控变量
上述算法能弥补基本电压模式控制法之不足，并协助实现电流模式控制的优点。更重要的是，它没有电流模式控制的相关缺点 – 尤其是斜坡电流很小的低负载噪声耐受性、负载周期超过50%时的斜率补偿需求以及多输出电源供应的耦合电感需求。除了上述功能之外，设计人员还能增加其它的软件控制回路，例如CPU可以调整停滞时间 (dead time) 以便将输入电流减至最小，这会将效率提升为最大值。
结语
Si825x数字化电源控制器采用双处理器设计，它能将所有通讯及内部管理工作与主要的回路控制工作分开。这款内含双处理器的控制器可以整合到QFN-28和LQFP-32两种封装。Si825x使用25MHz的内部系统频率进行操作，它还会利用以锁相回路为基础的频率倍频器将这个频率升频转换为50、100和200MHz频率，然后提供给回路控制用的模拟数字转换器、DPWM和某些外围使用。可编程设定的选项包括利用外部频率和芯片内建的3位可编程预除器 (pre-scaler) 进行操作以及80kHz的整合低频频率，后者对于某些耗电很小的非操作模式 (non-operational mode) 有很大帮助。Silicon Laboratories还提供一款专用的10MHz、6位回路控制模拟数字转换器和另一款内含八通道多任务器以支持电流、温度和其它内部测量功能的12位模拟数字转换器。这款数字化电源控制器可同时为多数隔离式与非隔离式开关电源供应架构提供数字化电源控制和电源管理功能。