中心議題：

• 數字技術在開關電源控製中的應用和發展
• 一種新穎的電源控製技術

解決方案：

• 通過外接A/D轉換進行采樣

• 通過DSP對電源實現直接控製

1.前言

隨sui著zhe電dian力li電dian子zi技ji術shu的de高gao速su發fa展zhan，開kai關guan電dian源yuan得de到dao了le廣guang泛fan應ying用yong，而er日ri新xin月yue異yi的de高gao科ke技ji產chan品pin也ye對dui開kai關guan電dian源yuan提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu。開kai關guan電dian源yuan的de模mo擬ni控kong製zhi技ji術shu也ye發fa展zhan了le很hen多duo年nian，各ge方fang麵mian都dou比bi較jiao成cheng熟shu，但dan其qi無wu法fa克ke服fu固gu有you的de缺que點dian：控製電路複雜，元器件比較多，不利於小型化的發展；控製電路一旦成型

，很難修改

，調試不方便

；控製不靈活

，複雜的控製方法也難以用模擬方法實現。

2. 數字控製技術的發展現狀

現在實現開關電源的數字控製主要有以下兩種方法：第一種是單片機通過外接A/D轉換芯片進行采樣
，采樣後對得到的數據進行運算和調節
，再把結果通過D/A轉換後傳到PWM芯片中
，實現單片機對開關電源的開關電源間接控製（如下圖所示）。如ru下xia圖tu所suo示shi這zhe種zhong方fang法fa的de技ji術shu目mu前qian已yi經jing比bi較jiao成cheng熟shu，設she計ji方fang法fa容rong易yi掌zhang握wo
，而er且qie對dui單dan片pian機ji的de要yao求qiu不bu高gao
，成cheng本ben比bi較jiao低di。但dan是shi控kong製zhi電dian路lu由you於yu要yao用yong多duo個ge芯xin片pian，電dian路lu比bi較jiao複fu雜za
；單片經過A/D和D/A轉換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態性能和穩壓精度。也有單片機集成了PWM輸出，但開關電源往高頻化發展
，一般單片機的時鍾頻率有限，產生的PWM輸出頻率和精度反比
，無法產生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。第二種是通過高性能數字芯片如DSP對電源實現直接控製
，數字芯片完成信號采樣AD轉換和PWM輸出等工作，由於輸出的數字PWM信(xin)號(hao)功(gong)率(lv)不(bu)足(zu)以(yi)驅(qu)動(dong)開(kai)關(guan)管(guan)，需(xu)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)驅(qu)動(dong)芯(xin)片(pian)進(jin)行(xing)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)驅(qu)動(dong)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)，由(you)於(yu)而(er)這(zhe)些(xie)芯(xin)片(pian)有(you)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)采(cai)樣(yang)速(su)度(du)（TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成一次AD轉換隻需500ns，最快的8位單片機也要最快也要幾微秒）和運算速度，可以快速有效的實現各種複雜的控製算法，實現對電源的有效控製，有較高的動態性能和穩壓精度。但是DSP芯片結構複雜，成本比較高；而且DSP控製技術比較難掌握，對設計者要求比較高，在開關電源領域中難以廣泛應用。目前DSP技術已經在開關電源中開始應用，但主要局限在對電源性能要求高的而且價格比較昂貴的領域上。

3.一種新穎的電源控製技術

數字控製的開關電源不可避免地存在以下問題：AD轉換器的速度和精度成反比。為了保證開關電源有較高的穩壓精度，AD轉換器是必須有比較高精度的采樣

，但高精度的采樣需要的AD轉換時間更長。作為反饋環路的一部分，AD轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian)過(guo)長(chang)必(bi)然(ran)造(zao)成(cheng)額(e)外(wai)的(de)相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)。除(chu)了(le)和(he)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)存(cun)在(zai)的(de)相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)以(yi)後(hou)
，轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)的(de)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)必(bi)然(ran)也(ye)會(hui)造(zao)成(cheng)額(e)外(wai)相(xiang)位(wei)滯(zhi)後(hou)，使(shi)得(de)回(hui)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)變(bian)差(cha)。和(he)模(mo)擬(ni)芯(xin)片(pian)用(yong)RC補償進行PI調節的方法一樣，在控製回路中用引入PI調(tiao)節(jie)的(de)方(fang)法(fa)以(yi)提(ti)高(gao)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)，這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)需(xu)要(yao)占(zhan)有(you)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)較(jiao)大(da)的(de)係(xi)統(tong)資(zi)源(yuan)
，因(yin)為(wei)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)和(he)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)不(bu)同(tong)
，信(xin)號(hao)采(cai)樣(yang)不(bu)是(shi)連(lian)續(xu)不(bu)斷(duan)的(de)
，而(er)是(shi)離(li)散(san)的(de)，兩(liang)次(ci)采(cai)樣(yang)之(zhi)間(jian)有(you)一(yi)段(duan)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)
，這(zhe)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)值(zhi)是(shi)無(wu)法(fa)得(de)到(dao)的(de)。要(yao)實(shi)現(xian)精(jing)確(que)的(de)控(kong)製(zhi)

，每(mei)次(ci)采(cai)樣(yang)之(zhi)間(jian)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)不(bu)能(neng)太(tai)長(chang)，即(ji)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)不(bu)能(neng)太(tai)低(di)。作(zuo)為(wei)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)，每(mei)次(ci)AD轉換結束後，得到的結果都會被送到係統的中央運算處理器中，然後由處理器對采樣的值進行運算和PItiaojie。zaicaiyangpinlvbijiaogaodeshihou，zhezhongzuofabijiaohaofeixitongziyuan，duishuzixinpiandeyaoqiuyebijiaogao。youyumuqianzhuanmenyongyudianyuankongzhideshuzixinpianhaibijiaoshao，zaiyaoqiubijiaogaodechangheyibandouhuiyongDSP芯片
，其運算和采樣速度快
，功能強大，但價格比較高。而且DSP芯片不是專門的電源控製芯片，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高。

隨(sui)著(zhe)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)和(he)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，現(xian)在(zai)出(chu)現(xian)了(le)為(wei)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)而(er)開(kai)發(fa)出(chu)來(lai)的(de)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)，它(ta)不(bu)同(tong)於(yu)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)的(de)中(zhong)央(yang)處(chu)理(li)器(qi)。控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)主(zhu)要(yao)由(you)高(gao)速(su)AD轉換器，數字PID補償器和數字PWM輸出三部分組成。反饋環路的控製由它來完成，中央處理器作為管理模塊應用在電源上。其原理圖如圖3所示： [page]
控製處理器由高速A/D轉換器，數字PID補償器和數字DPWM輸出組成。外部存儲器記錄了控製處理器的相關程序。高速A/D轉換器是基於CMOS的傳輸延遲時間td 影響輸入電壓VDD的原理做成的，VDD電壓和傳輸時間是成近似的反比例關係，即VDD越大，信號傳輸延遲時間越小。如圖2所示
，以CMOS的輸入電壓VDD作位采樣電壓的輸入口，各信號之間的傳輸時間延時td受采樣電壓VDD影響。第四分之三個采樣周期過後采樣結束位產生高電平，開始記錄q1到q8的輸出
，把得到的結果送入編碼器得到數字輸出e，完成A/D轉換。如圖2b所示
，數字采樣值為11111100.VDD越大，td越小得到的采樣值越大。
而傳統的ADC轉zhuan換huan器qi時shi通tong過guo有you源yuan器qi件jian建jian立li采cai樣yang信xin號hao的de
，需xu要yao一yi個ge信xin號hao建jian立li時shi間jian，而er要yao進jin行xing高gao精jing度du的de采cai樣yang則ze需xu要yao更geng長chang的de信xin號hao建jian立li時shi間jian。采cai用yong新xin的de技ji術shu大da大da降jiang低di了leAD轉換需要的時間，可以達到MHz級采樣頻率。高采樣頻率可以使DPWM的信號的更新速度達到幾百納秒一次，實現和模擬控製類似通過不斷更新PWM信號來進行穩壓。不需要像傳統的ADC采樣那樣，在有限的采樣頻率內通過提高AD轉換精度和PWM分辨率，降低開關頻率來提高穩壓精度。DPWM時鍾由處理器係統時鍾通過鎖相邏輯環路（PLL）進行倍頻後頻率可以達到200MHz.通過這種分辨率高達5ns的DPWM控製信號，電源開關頻率可以達到1MHz.shuzibuchangqiweidianyuanshejitigonghendadelinghuoxing，kongzhicanshutongguowaibucunchuqidechengxulaisheding，keyitongguobianchenglaigaibiankongzhicelve
，tiaoshigengfangbian。youyuxinpianshizhuanmenweidianyuanshejikaiguan，jianhualejiegou，jiangdilechengben。xiangxinzhezhongzhuanmenweidianyuanshejikaifadekongzhichuliqijianghuidedaoguangfanshiyong。

目前使用這種控製技術的芯片還比較少，Silicon Labs的Si8250就是其中一款[3].Si8250采用雙處理器的方法

，所有的通信和管理任務由係統管理處理器來完成，而控製處理器負責反饋的環路控製。係統控製環路由一個6位采樣頻率為10MHz的AD轉換器，可以每隔100ns更新一次數字PWM輸出信號，以達到更好的穩壓效果。在而數字PID補償器裏麵分別為P，I，D的係數KP

，KI和KD提供寄存器，隻要改變這些係數的值就可以改變PID控製策略。PID的值通過寄存器設定，習慣進行模擬控製芯片設計的工程師也容易掌握。提供六路相位不同的數字PWM輸出，可以用比較簡單的方法實現移相控製等多中控製方法。數字PWM的時鍾頻率在25MHz
，50MHz和200MHz中選擇，分辨率高達5ns.可以使開關頻率達到100MHz.

4 結語

和模擬控製相比，數字控製有著明顯的優勢。但由於目前大部分數字芯片並不能完全滿足開關電源的要求，而能達到要求的昂貴的DSPxinpianyouguoyuanggui，suoyishuzikongzhijishuzaidianyuanlingyuzhongdeyingyongbingbuguangfan。suizhekongzhichuliqijishudetichu，yongyudianyuankongzhideshuzixinpiandechuxian
，shuzikongzhijishuzaikaiguandianyuanzhongbijiangdedaogengguangfandeshiyong。