数字电源设计的挑战和机会

在过去五年中，数字电源利用数字控制给传统模拟领域带来的许多益处而迅速增长。数字控制的日益采用得到了微控制器厂商的许多新产品的支持，这些新产品专门针对数字电源市场。

图1：模拟控制的电源

在传统的模拟电源中，使用由运算放大器和比较器与一系列精心选择的外部电容器和电阻组成的控制IC来实现控制，以形成补偿网络。该补偿网络设计用于给电源提供期望的调节、瞬态负载性能和频率或s域的稳定性。补偿网络是固定的，并且经常由于反馈环路中存在带宽限制光耦合器而受损。如图1所示。

图2：数字控制的电源

数字电源是指取代传统上用于开关电源的模拟控制IC，对电源进行调节和稳定的数字控制回路。在图2所示的数字电源中，模拟控制IC及其相关的模拟补偿网络已经被微控制器所取代。

微控制器用于关闭电源的反馈回路。在典型的数字控制电源中，微控制器上的模数转换器(ADC)模块采样输出电压或电流，该输出电压或电流与需求参考值进行比较，结果为误差项。该误差项被用作离散时间控制器的输入。离散时间控制器在每一个可用的新ADC采样时以精确、预先定义的间隔执行。

正如S域中的模拟补偿器一样，离散时间控制器在时间或z域都具有频率响应。控制器系数决定电源的频率响应和稳定性，并且必须解析地计算以稳定电源。

微控制器在电源领域已经使用多年，目的是使用相对简单和低成本的微控制器来实现诸如串行接口和风扇速度控制之类的基本功能。全数字控制以前在服务器和电信市场最为普遍，在工业和医疗市场的占有率滞后。

切换到数字控制的主要禁止因素是与数字功率相关联的成本和复杂性。近年来，实现全数字控制所需的DSP功能的现代微控制器的成本急剧下降，但复杂性仍然是一个问题，源于需要混合域的方法来设计电源，工程师必须将他们的电源设计技巧和具有编写高效代码和稳定离散时间控制回路的能力结合起来。

根据设计的复杂性，为电源开发健壮且有效的固件可能需要大量的时间。各种安规标准所需的验证、测试和文件导致开发健壮可靠的数字电源需要大量资源。当然，一旦进行了初始投资，数字电源的益处之一就是能够在许多不同的产品中重用固件，在一个系列中具有不同输出电压的产品的固件的改变可以是改变控制器系数的简单情况。

数字控制回路比模拟回路具有更多优点。它对控制回路部件的环境、温度、老化和公差不敏感。它允许系统实时监控电源的性能，并根据需要调整参数来调整性能。此外，先进的离散时间控制技术允许我们实现比模拟补偿器更高的性能，在几个开关周期内从瞬态恢复过来，这是负载点(POL)转换器市场特别感兴趣的，该市场是早期数字电源使用者。

对高效率电源转换器的不断增长的需求是数字电源提供超出典型模拟控制方案能力的解决方案的关键领域。这可能涉及调整PSU的操作以达到最佳的零电压或零电流开关-减少损失和提高效率。

图3：典型控制回路持续时间与PWM开关周期

用于数字功率应用的最新微控制器包含DSP功能，该功能允许数字控制环路在单个PWM开关周期的一小部分内，每个开关周期内执行。图3显示了一个典型的数字电源的PWM开关周期。在这个简单的例子中，每个开关周期输出电压一次。几百毫微秒的ADC转换时间对于设计用于数字电源应用的微控制器来说是典型的。在ADC转换之后，调用中断服务例程来执行离散时间控制器。这是一个时间紧迫的例行程序。

如图3所示，这个例子中，MCU不花费执行控制器的时间是备用带宽。此备用带宽可用于执行特定于应用程序的其他任务或功能。任何低优先级任务都在慢速循环中运行，并且每当出现高优先级任务时都会被中断，例如运行控制循环代码的ADC中断。

考虑到微控制器给设计带来的灵活性，当标准产品可能不能满足客户每个方面需求时，数字电源非常适合于定制或修改标准电源的应用。可能有特定的通信要求，如通过USB、I2C或ECTCAT控制电源。用户可能要求调整输出电压或电流极限，或者要求实时监控、电力轨道排序或输出模块之间的精确电流分配。传统上需要硬件更改的应用程序特定要求通常可以在固件中实现。当然，用于数字电源的高性能微控制器将比它取代的模拟IC昂贵。然而，数字控制器提供了在MCU内实现其他功能的机会，而不是使用离散组件。这可以导致减少元件数量和更紧凑的解决方案，特别是对于具有复杂信号要求或可以使用一个微控制器控制的多个电源轨的设计。结果可能是一个更具成本效益的整体解决方案。当然，对于一些复杂的需求，数字化可能是唯一可行的解决方案。

XP Power具有利用标准产品范围的多样性实现复杂电源解决方案的知识和能力。在电源的核心的MCU，应用特定的电源解决方案的可能性是深远的。考虑到数字电源提供的许多好处，我们肯定会看到数字电源在未来几年里会不断增加。

本文作者：XP Power公司 Dr. Michael Hallworth