利用数字控制技术优化电源系统设计[图]

经过数十年的发展，高规格DC/DC转换器已经达到性能顶峰，要求电源工程师重新考虑设计方法。事实上，采用人们熟知的模拟控制机制的转换器如今在转换效率和功率密度指标方面已经少有进步，随着设计人员更多地认识到数字电源控制技术的优势，数字电源控制技术正在迅速提升市场份额。在实际应用中，任何数字电源转换器都会采用混合信号硅片工艺支持的模拟和数字组合电路。在本文中，“数字电源控制”指的是用数字电路而不是模拟机制实现电源转换器的内部控制环路。
   对于最简单的降压转换器例子来说，这意味着用模数转换器代替传统的误差信号反馈放大器，并使用数字信号处理技术代替电压基准、斜坡发生器和比较器控制驱动电源开关的脉宽调制器，见图1。
   
   图1：数字降压转换器采用数字信号处理技术代替模拟控制环。
   对于混合信号内核而言，增加片上“数字电源管理”功能极具吸引力，这种功能包含了监视和控制电路，可与外部逻辑通信以促进电源管理机制。集成这种功能而额外增加的硅成本是可忽略的，但却能极大地降低PCB占用面积要求，同时优化电源转换器内核与其测量和控制子系统之间的耦合。
   板级I/O系统选择的是基于SMBus硬件的PMBus电源行业标准，它的集成也很容易和便宜。现在有多家硅供应商提供的芯片包含了构建数字电源转换器必需的所有元件，并且外部元件数量极少。更少的元件有助于缩小数字转换器体积、提高可靠性和降低成本--而且控制转换器操作的数字值不会随着时间或温度发生漂移。
   数字转换器的基本要求
   对任何数字电源转换器的基本要求是必须至少要有最优秀的实用模拟解决方案的效率，并且不牺牲任何电气性能--包括稳压精度、瞬态响应或输出噪声电平。事实上所有电源转换器在轻负载时都具有最低的效率，而且大多数模拟DC/DC转换器在达到输出最大功率的15－20%时才开始趋于高效工作。
   一般来说，这种转换器大约在最大负载的50－70%时取得最大效率，这正是它们的设计人员希望用户使用的负载范围。直到最近，这种特征工作范围一直非常适合负载相对稳定的大多数系统，但今天越来越多的系统被设计为只要有可能就关闭尽可能多的功能以节省能耗。
   这种情况下要求更多的电源能够在非常轻负载时就能高效工作，这时在可能根本不是很稳定的转换器输入电压方面可能出现回跳或次生效应。如图2中的一对典型的四分之一砖块中间总线DC/DC转换器所示，设计良好的数字转换器可以从满负载的约10%开始就能提供比模拟转换器相同或更高的效率，然后直到100%负载都能保持性能优势，同时对不断变化的输入电压提供出色的容差性能。
   
   图2：12V/33A电源在25℃时的典型效率与负载电流和输入电压的关系。上图针对的是模拟PKM 43048 PI电源；下图针对的是数字BMR453电源。
   数据转换器用于延伸和展平工作效率曲线的一个关键技术是改变电源开关导通之间的死区时间。对于图1所示的降压转换器例子，这种“直通”防止措施能够确保两个MOSFET管不会同时导通，而同时导通几乎肯定会导致两个管子互相损坏。
   要想获得最高效率，器件开关之间的过渡时间必须是零，但大多数转换器使用固定的周期，这能保证转换器在线路和负载范围内安全工作。改变这个周期以反映输入线路状态可以将转换器的极限工作效率提高几个百分点。虽然有家硅供应商已经获得了在模拟控制器芯片中完成这一任务的技术专利，但数字转换器可以更加容易和灵活地满足这个要求。
   任何数字电源转换器还必须提供有竞争力的功率密度--这个相对容易保证--同时要像模拟转换器那样容易使用。设计和应用之间的差异因此变得非常显着，而且对大多数工程师来说数字电源转换器的主要缺点是这种技术所要求的学习曲线。模拟转换器需要使用电阻和电容设置极点和零点，以便平衡控制环路的动态响应与稳定性之间的关系--有时还要设置死区时间周期--但数字转换器使用常数组达到这些目的。
   假如有正确的控制算法，数字转换器就可以根据线路和负载条件实时地交换PID(比例－积分－微分)常数的不同值，从而使其性能一直胜过模拟转换器设计。尽管硅供应商付出了很大的努力来完善开发环境，帮助简化数字转换器控制环路的调整，但开发鲁棒性的固件仍需很大的工作量。
   因此，许多工程师更愿意确定预先经过认证的数字电源转换器模块，从而实现这种技术的无缝过渡。在开发3E系列数字电源产品的首款器件过程中，爱立信证实可以将传统松散调节的中间总线转换器的高功率提高约3%，四分之一砖转换器最大可以输出396W的功率。
   与此同时，这种数字转换器可以提供相同尺寸下仅输出204W的满幅调整模拟DC/DC转换器的严格±2%电压调整率。转换效率从最大输出功率的约10%开始就超过96%。虽然数字转换器集成有PMBus接口，但你可以忽略它，像任何模拟器件一样轻松地使用这种数字转换器。
   同样的好处可不同程度地应用于目前市场中出现的越来越广泛的数字电源产品，而且结果是即使拥有丰富经验的电源设计人员也越来越多的接受模块化解决方案。
   数字可配置能力
   除了提高以前主导电源设计人员思想的电气性能和功率密度外，数字电源还有许多其它优势。将电源管理硬件和PMBus接口与转换器核心器件集成在一起可以提供大量好处，这些好处贯穿于最终用户应用的整个生命期。
   重要的是，现在可以在多种场合配置数字转换器，包括最初制造之时、在电源系统设计人员应用的开发阶段、在分销商的仓库里、设备制造时以及在最终用户设备中工作时。这种高度灵活性首次将可编程逻辑模型延伸至电源转换产业。
   例如，爱立信3E系列数字电源转换器的每位成员都能提供一组可编程参数，包括输出电压选择；针对多轨负载实现上电顺序的打开/关闭延时时间；提供浪涌电流保护的压摆率控制；用于系统测试的电压余量；针对过流、过温、欠压和过压时产生告警和故障状态的多种阈值。甚至还可以调整3E数字转换器控制环路的响应，以便优化在特定负载和大输出电容条件下的性能。图3显示了通过精确调整常数设置3E负载点稳压器控制环路响应以优化给定环境下瞬态响应性能的结果。
   
   图3：重新编程数字电源转换器中的控制环路常数可以优化给定工作环境下的动态性能
   设计人员可以在3E产品生命期内的任何时间点使用转换器的PMBus接口编程其中任何参数。支持这种操作的PMBus协议包含一个标准命令集，这个命令集还可以经过扩展适应定制操作。重要的是，PMBus强制使用一种叫做“设置－遗忘”的模式，允许设计人员一旦完成兼容器件的编程，那么在下次重新编程之前器件都能保持参数设置不变。
   这个功能开启了包括合理化库存资产的各种可能，因为可以用运行在独立模式的单个可编程数字转换器代替多个固定电压的模拟转换器--也就是说，不需要目标板上有PMBus--进而开发出完全支持PMBus的系统，并有助于通过标记可能出故障的任何告警和错误状态而确保最大的系统运行时间。
   另外，一个完整支持PMBus的系统可以通过智能管理电源轨电压优化整个系统负载功率范围内的效率而尽可能减小能耗。例如，在轻负载条件下重新编程给多个负载点转换器供电的中间总线电压(比如从12VDC到9VDC)可以降低这些转换器的负担，并最大限度地减小损耗。这种动态总线电压适应技术非常有名，特别适合很大部分时间内负载条件变化很宽的系统，但用模拟转换器技术实现极具挑战性。
   PMBus支持快速创建原型
   实现数字电源转换提供的灵活性的关键是尽可能让设计人员容易使用。图4显示了基于传统背板的系统中典型电路板的结构，其中包括了支持电源管理功能的一条通信链路。
   
   图4：PMBus使得监视和控制兼容性电源系统器件(如3E系列)变得非常容易
   在这个案例中，可能包含本地智能的板载电源管理逻辑将电路板的PMBus兼容器件与系统主机链接在一起，而这个主机--取决于最终用户应用的复杂程度--可以是一台运行应用软件的PC，或具有LAN/WAN链路的嵌入式控制器。
   因为PMBus的物理层依赖于SMBus--电气上非常类似I2C--PMBus一般限用于电路板领域，设计人员可以自由地实现他们所选的背板连接。电路板电源控制逻辑要求通常不是很高，可以使用低成本的微控制器甚至FPGA中的一些空闲门：
   基于开发的目的，系统主机和用户接口可以由PC组成，同时PC上运行专用的应用开发软件，并通过USB-to-PMBus适配器连接到原型板。这种方法提供了一种特别快速的参数(如输出电压设置、加电顺序例程、电压余量)试验和故障处理方法，被测电路板上不需要做任何硬件改动。当设计人员对设置参数感到满意时，应用软件可以为每个可编程电源转换器保存一个配置文件。图5显示了3E评估套件的软件在器件配置屏幕中呈现的一些选项。
   
   图5：3E评估套件的图形用户界面软件可以极大地简化器件配置。
   未来规划
   事实上系统的电源要求在特定系列设备的生命期内通常会发生演进。想要做到某种程度上不会过时的设计人员可以充分利用能够提供可扩展功能的电源转换器实现自己的愿望。在通孔电镀和表面安装组件之间通常要做出一个合理的选择。除了满足这些需求外，3E系列的机械设计还可以减轻相对较大的元件在使用拾放设备时可能产生的问题。该系列产品目前包含八分之一和四分之一砖中间总线转换器，这些转换器提供隔离型输出，功率额定值最高为240W和396W；还包含20A和40A的负载点转换器。在不远的将来，会有更多的器件进一步扩大负载点范围，以满足电流值低至12A的要求。