开关电源控制中的数字技术研究

中心议题：
    *  数字技术在开关电源控制中的应用和发展 
    *  一种新颖的电源控制技术
解决方案：
    *  通过外接A/D转换进行采样
    *  通过DSP对电源实现直接控制

1.前言

随着电力电子技术的高速发展，开关电源得到了广泛应用，而日新月异的高科技产品也对开关电源提出了更高的要求。开关电源的模拟控制技术也发展了很多年，各方面都比较成熟，但其无法克服固有的缺点：控制电路复杂，元器件比较多，不利于小型化的发展；控制电路一旦成型，很难修改，调试不方便；控制不灵活，复杂的控制方法也难以用模拟方法实现。

2. 数字控制技术的发展现状

现在实现开关电源的数字控制主要有以下两种方法：第一种是单片机通过外接A/D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D/A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的开关电源间接控制（如下图所示）。如下图所示这种方法的技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单片机的要求不高，成本比较低。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；单片经过A/D和D/A转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。也有单片机集成了PWM输出，但开关电源往高频化发展，一般单片机的时钟频率有限，产生的PWM输出频率和精度反比，无法产生足够频率和精度的PWM输出信号。第二种是通过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作，由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。这样就可以简化控制电路的设计，由于而这些芯片有比较高的采样速度（TMS320LF2407内部的10位AD转换器完成一次AD转换只需500ns，最快的8位单片机也要最快也要几微秒）和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。但是DSP芯片结构复杂，成本比较高；而且DSP控制技术比较难掌握，对设计者要求比较高，在开关电源领域中难以广泛应用。目前DSP技术已经在开关电源中开始应用，但主要局限在对电源性能要求高的而且价格比较昂贵的领域上。

3.一种新颖的电源控制技术

数字控制的开关电源不可避免地存在以下问题：AD转换器的速度和精度成反比。为了保证开关电源有较高的稳压精度，AD转换器是必须有比较高精度的采样，但高精度的采样需要的AD转换时间更长。作为反馈环路的一部分，AD转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟以后，转换过程的延迟时间必然也会造成额外相位滞后，使得回路的响应能力变差。和模拟芯片用RC补偿进行PI调节的方法一样，在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的响应能力，这种做法需要占有数字芯片较大的系统资源，因为数字控制和模拟控制不同，信号采样不是连续不断的，而是离散的，两次采样之间有一段间隔时间，这段时间的值是无法得到的。要实现精确的控制，每次采样之间的时间间隔不能太长，即采样频率不能太低。作为数字芯片，每次AD转换结束后，得到的结果都会被送到系统的中央运算处理器中，然后由处理器对采样的值进行运算和PI调节。在采样频率比较高的时候，这种做法比较耗费系统资源，对数字芯片的要求也比较高。由于目前专门用于电源控制的数字芯片还比较少，在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片，其运算和采样速度快，功能强大，但价格比较高。而且DSP芯片不是专门的电源控制芯片，一般的电源应用对其芯片资源的利用率不高。

随着数字芯片和电源技术的发展，现在出现了为电源控制而开发出来的控制处理器，它不同于数字芯片的中央处理器。控制处理器主要由高速AD转换器，数字PID补偿器和数字PWM输出三部分组成。反馈环路的控制由它来完成，中央处理器作为管理模块应用在电源上。其原理图如图1所示：

图1 控制环路处理器原理图
 

控制处理器由高速A/D转换器，数字PID补偿器和数字DPWM输出组成。外部存储器记录了控制处理器的相关程序。高速A/D转换器是基于CMOS的传输延迟时间td 影响输入电压VDD的原理做成的，VDD电压和传输时间是成近似的反比例关系，即VDD越大，信号传输延迟时间越小。如图2所示，以CMOS的输入电压VDD作位采样电压的输入口，各信号之间的传输时间延时td受采样电压VDD影响。第四分之三个采样周期过后采样结束位产生高电平，开始记录q1到q8的输出，把得到的结果送入编码器得到数字输出e，完成A/D转换。如图2b所示，数字采样值为11111100.VDD越大，td越小得到的采样值越大。

图2 高速AD转换器原理图及其波形

而传统的ADC转换器时通过有源器件建立采样信号的，需要一个信号建立时间，而要进行高精度的采样则需要更长的信号建立时间。采用新的技术大大降低了AD转换需要的时间，可以达到MHz级采样频率。高采样频率可以使DPWM的信号的更新速度达到几百纳秒一次，实现和模拟控制类似通过不断更新PWM信号来进行稳压。不需要像传统的ADC采样那样，在有限的采样频率内通过提高AD转换精度和PWM分辨率，降低开关频率来提高稳压精度。DPWM时钟由处理器系统时钟通过锁相逻辑环路（PLL）进行倍频后频率可以达到200MHz.通过这种分辨率高达5ns的DPWM控制信号，电源开关频率可以达到1MHz.数字补偿器为电源设计提供很大的灵活性，控制参数通过外部存储器的程序来设定，可以通过编程来改变控制策略，调试更方便。由于芯片是专门为电源设计开关，简化了结构，降低了成本。相信这种专门为电源设计开发的控制处理器将会得到广泛使用。

目前使用这种控制技术的芯片还比较少，Silicon Labs的Si8250就是其中一款[3].Si8250采用双处理器的方法，所有的通信和管理任务由系统管理处理器来完成，而控制处理器负责反馈的环路控制。系统控制环路由一个6位采样频率为10MHz的AD转换器，可以每隔100ns更新一次数字PWM输出信号，以达到更好的稳压效果。在而数字PID补偿器里面分别为P，I，D的系数KP，KI和KD提供寄存器，只要改变这些系数的值就可以改变PID控制策略。PID的值通过寄存器设定，习惯进行模拟控制芯片设计的工程师也容易掌握。提供六路相位不同的数字PWM输出，可以用比较简单的方法实现移相控制等多中控制方法。数字PWM的时钟频率在25MHz，50MHz和200MHz中选择，分辨率高达5ns.可以使开关频率达到100MHz.

4 结语

和模拟控制相比，数字控制有着明显的优势。但由于目前大部分数字芯片并不能完全满足开关电源的要求，而能达到要求的昂贵的DSP芯片又过于昂贵，所以数字控制技术在电源领域中的应用并不广泛。随着控制处理器技术的提出，用于电源控制的数字芯片的出现，数字控制技术在开关电源中必将得到更广泛的使用。