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如何讓模擬工程師實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換 |
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| 作者：judie 欄目：電源技術(shù) | |
模擬工程師以前在設(shè)計(jì)需要具有多路輸出、動(dòng)態(tài)負(fù)載共享、熱插拔或廣泛故障處理能力的電源時(shí)，往往需要與復(fù)雜性抗?fàn)�。利用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能并非總是經(jīng)濟(jì)有效或靈活的。采用模擬技術(shù)設(shè)計(jì)電源需要使用“過(guò)大的”元件來(lái)解決元件變化和元件漂移的問(wèn)題。即使是在克服了這些設(shè)計(jì)難點(diǎn)之后，這些電源在生產(chǎn)線末端還需要進(jìn)行人工調(diào)整。 那么，模擬工程師應(yīng)該選擇什么來(lái)設(shè)計(jì)電源呢？工程學(xué)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答是利用功率轉(zhuǎn)換反饋環(huán)路的智能數(shù)字控制來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。單片機(jī)已使模擬設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、控制、通信甚至確定性功能(如電源中的上電時(shí)序、軟啟動(dòng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制等)。不過(guò)，由于缺乏經(jīng)濟(jì)有效的高性能技術(shù)，以數(shù)字方式控制整個(gè)功率轉(zhuǎn)換環(huán)路還不太現(xiàn)實(shí)。 開(kāi)關(guān)電源中的DSC設(shè)計(jì) 現(xiàn)在，一種新型數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的問(wèn)世使具有智能電源外設(shè)等功能的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為可能，因?yàn)檫@種器件采用基于計(jì)數(shù)器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣，可以在一個(gè)單時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行快速乘法。這些特性的組合有助于DSC處理控制環(huán)路軟件所需的較高執(zhí)行速度。 在開(kāi)始進(jìn)行電源設(shè)計(jì)之前，需要做出以下決擇。 1. 選擇一種適合應(yīng)用需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：升壓型還是降壓型(Boost還是Buck)，隔離式(正向、半橋還是全橋)。 2. 選擇一種開(kāi)關(guān)技術(shù)： 硬開(kāi)關(guān)還是軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(如諧振模式或準(zhǔn)諧振模式)，以增加電路和控制的復(fù)雜程度為代價(jià)，換取較少的開(kāi)關(guān)損耗。 3. 選擇一種控制方法：電壓模式還是電流模式。 電壓模式控制和電流模式控制是基于傳統(tǒng)模擬開(kāi)關(guān)電源(SMPS)控制技術(shù)的兩種控制方法。在電壓模式條件下，利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)來(lái)控制電源電壓施加在電感器上的時(shí)間，進(jìn)而間接地控制電感器中的電流。在電流模式控制條件下，利用期望的輸出電壓和實(shí)際的輸出電壓之間的差值(誤差)為模擬比較器創(chuàng)建一個(gè)門(mén)限值來(lái)設(shè)置峰值電感電流，從而控制平均電感電流。電壓模式可以在噪聲環(huán)境中或?qū)捁ぷ鞣秶鷹l件下提供更高的穩(wěn)定性；電流模式控制可以實(shí)現(xiàn)逐周期的電流限制和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，它還可防止可能導(dǎo)致電感器飽和并引起災(zāi)難性MOSFET故障的“逐步增加的電感電流”。 4. 選擇PWM工作頻率。高頻PWM有助于使用更小的電感器和電容器，但是需要額外付出開(kāi)關(guān)損耗為代價(jià)。 5. 確定需要的控制帶寬。這在很大程度上取決于應(yīng)用所期待的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。 6.根據(jù)估計(jì)的控制帶寬需求來(lái)分配處理器資源。雖然有多種控制算法，但是常用的技術(shù)仍是比例、積分和微分(PID)方法。使用常用PID算法，控制環(huán)路將需要以所需控制系統(tǒng)帶寬的八倍速度運(yùn)行，以保證足夠的相位容限。在估計(jì)控制環(huán)路的延遲時(shí)，控制環(huán)路內(nèi)的所有延遲都必須考慮到(參見(jiàn)“計(jì)算控制環(huán)路的延遲”部分)。 接著，選擇一個(gè)可以滿(mǎn)足您所有或大多數(shù)設(shè)計(jì)需求的DSC。 選擇采用Microchip的SMPS dsPIC DSC——dsPIC30F2020來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)同步降壓式轉(zhuǎn)換器。這種DSC有一個(gè)硬開(kāi)關(guān)，可提供互補(bǔ)PWM模式的電壓控制模式。這種降壓式轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖1)采用同步開(kāi)關(guān)，用一個(gè)MOSFET取代了電路中的整流器，因?yàn)樗葮?biāo)準(zhǔn)整流器有低得多的正向電壓降。通過(guò)降低電壓降，這種降壓式轉(zhuǎn)換器的整個(gè)效率可以提高5％~10％。同步開(kāi)關(guān)與Q2需要一個(gè)次級(jí)PWM信號(hào)來(lái)補(bǔ)充初級(jí)PWM信號(hào)。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，Q2接通，反之亦然。此外，在PWM信號(hào)的上升沿和下降沿期間，需要利用“死區(qū)”控制來(lái)防止Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通。 http://www.ednchina.com/images/article/c88d1dff-3372-4c96-a17d-94a66676b653/1.jpg 圖1 同步降壓式轉(zhuǎn)換器 降壓式轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出電壓的關(guān)系可以表示為： VOUT = VIN ( D，其中 D = PWM占空比 = TON /(TON + TOFF) 一個(gè)降壓式轉(zhuǎn)換器理想的輸出電壓是輸入電壓與晶體管占空比的乘積。通過(guò)檢測(cè)(見(jiàn)圖1)，如果晶體管Q1是常通的，輸出電壓將等于輸入電壓。如果Q1是常斷的，那么輸出電壓將為零。實(shí)際上，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，晶體管和電感器兩端存在的電壓降將會(huì)增加。圖2給出了如何使用DSC設(shè)計(jì)數(shù)字SMPS控制系統(tǒng)。 http://www.ednchina.com/images/article/c88d1dff-3372-4c96-a17d-94a66676b653/2.jpg 圖2 用于同步降壓式轉(zhuǎn)換器的典型SMPS控制系統(tǒng) 采樣保持(S/H)電路通常每2~10ms進(jìn)行一次采樣，ADC需要大約500ns將模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字值。PID控制器是一種運(yùn)行于DSC的程序，有大約1~2ms的計(jì)算延遲。該控制器輸出可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)PWM信號(hào)，由它來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)進(jìn)入新的占空比時(shí)，如果PWM發(fā)生器不能立即更新其輸出，就可能出現(xiàn)明顯的延遲。晶體管驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)的晶體管也會(huì)引入大約50ns到1微秒的延遲，其長(zhǎng)短因使用的器件和電路設(shè)計(jì)而異。 計(jì)算控制環(huán)路的延遲 總控制環(huán)路延遲是ADC采樣與轉(zhuǎn)換時(shí)間(500ns)、PID計(jì)算時(shí)間(1μs)、PWM輸出延遲(0)、晶體管切換時(shí)間(50ns)和PID執(zhí)行速度時(shí)期(2μs)之和。這個(gè)例子中的總環(huán)路延遲是3.65μs，這意味著最大有效控制環(huán)路的采樣率為274 kHz。雖然尼奎斯特定理需要2倍的采樣率來(lái)重建一個(gè)信號(hào)，數(shù)字控制環(huán)路仍必須以6倍至10倍采樣率進(jìn)行采樣。這樣做的原因是只使用2倍的采樣率，相位滯后將180度。利用2倍采樣率，我們已經(jīng)用完了180度的相位滯后“預(yù)算”，而沒(méi)有考慮系統(tǒng)中任何其他的延遲。一個(gè)采用8倍采樣率的系統(tǒng)單在采樣過(guò)程引入45度的相位滯后，這是一個(gè)好得多的采樣率。為了有足夠的相位容限，許多數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行了10倍或更高的過(guò)采樣。假定最高有效采樣率為274 kHz，有效控制帶寬是其八分之一，也就是大約34 kHz。 SMPS設(shè)計(jì)中PWM的重要性 不同的電源規(guī)范推動(dòng)著對(duì)不同電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需求，這些不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要不同的PWM模式，其中每一種都支持多種SMPS設(shè)計(jì)，包括標(biāo)準(zhǔn)、互補(bǔ)、推挽、多相位、可變相位、電流復(fù)位和電流限制PWM模式。最基本的PWM模式是標(biāo)準(zhǔn)的邊沿對(duì)齊式PWM，其中的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間之比控制著電源電流。每對(duì)輸出中只有一個(gè)PWM輸出被用于這些異步降壓式、升壓式和反激式轉(zhuǎn)換器電路。同步降壓式轉(zhuǎn)換器采用互補(bǔ)PWM模式，其中的互補(bǔ)輸出控制一個(gè)由MOSFET實(shí)現(xiàn)的 “同步開(kāi)關(guān)”整流器，而不是通常的整流器�；パa(bǔ)PWM模式還可以用于采用同步整流來(lái)改善系統(tǒng)效率的其他電路。 推挽式轉(zhuǎn)換器通常用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC電源。“多相PWM”術(shù)語(yǔ)描述的是多PWM輸出而不是邊沿對(duì)齊的。多相轉(zhuǎn)換器電路經(jīng)常用于必須提供大電流、負(fù)載變化可能非常迅速的應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器。由于PC電源的廣泛使用，相位變換PWM模式正變得越來(lái)越常見(jiàn)。Microchip的dsPIC DSC SMPS系列可以支持當(dāng)前廣泛用于電源行業(yè)的所有已知的PWM模式。全文見(jiàn)：如何讓模擬工程師實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換 |
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| 作者： 江上風(fēng)清 于 2007/3/19 17:52:00 發(fā)布：
呵呵，電源工程師就是一看到code就頭大呢 呵呵，電源工程師就是一看到code就頭大呢 |
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| 3樓： | >>參與討論 |
| 作者： judie 于 2007/3/21 2:03:00 發(fā)布：
hehe |
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