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）。ruxiatusuoshizhezhongfangfadejishumuqianyijingbijiaochengshu

，shejifangfarongyizhangwo，erqieduidanpianjideyaoqiubugao，chengbenbijiaodi。danshikongzhidianluyouyuyaoyongduogexinpian
，dianlubijiaofuza；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PItiaojiedefangfayitigaokongzhihuiludexiangyingnengli，zhezhongzuofaxuyaozhanyoushuzixinpianjiaodadexitongziyuan，yinweishuzikongzhihemonikongzhibutong
，xinhaocaiyangbushilianxubuduande
，ershilisande，liangcicaiyangzhijianyouyiduanjiangeshijian，zheduanshijiandezhishiwufadedaode。yaoshixianjingquedekongzhi，meicicaiyangzhijiandeshijianjiangebunengtaichang

，jicaiyangpinlvbunengtaidi。zuoweishuzixinpian
，meiciAD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suAD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(le)AD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.數(shu)字(zi)補(bu)償(chang)器(qi)為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)很(hen)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)
，控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)通(tong)過(guo)外(wai)部(bu)存(cun)儲(chu)器(qi)的(de)程(cheng)序(xu)來(lai)設(she)定(ding)
，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)編(bian)程(cheng)來(lai)改(gai)變(bian)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)，調(tiao)試(shi)更(geng)方(fang)便(bian)。由(you)於(yu)芯(xin)片(pian)是(shi)專(zhuan)門(men)為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)開(kai)關(guan)，簡(jian)化(hua)了(le)結(jie)構(gou)
，降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)本(ben)。相(xiang)信(xin)這(zhe)種(zhong)專(zhuan)門(men)為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)開(kai)發(fa)的(de)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)將(jiang)會(hui)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)。

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DSP芯(xin)片(pian)又(you)過(guo)於(yu)昂(ang)貴(gui)，所(suo)以(yi)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)在(zai)電(dian)源(yuan)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)並(bing)不(bu)廣(guang)泛(fan)。隨(sui)著(zhe)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)提(ti)出(chu)
，用(yong)於(yu)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)的(de)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)的(de)出(chu)現(xian)，數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)必(bi)將(jiang)得(de)到(dao)更(geng)廣(guang)泛(fan)的(de)使(shi)用(yong)。