【導讀】數字電源是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，用于命名使用數字信號處理技術(shù)控制電源轉換的方法。我們正處于一場(chǎng)革命之中，數字電源的優(yōu)勢正在應用于電源轉換，并且在效率、功率密度、可靠性、穩健性和易用性方面正在取得真正的進(jìn)步。盡管個(gè)數字控制理念已有 30 多年的歷史，但我們現在才看到這項技術(shù)的廣泛應用。
數字電源是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，用于命名使用數字信號處理技術(shù)控制電源轉換的方法。我們正處于一場(chǎng)革命之中，數字電源的優(yōu)勢正在應用于電源轉換，并且在效率、功率密度、可靠性、穩健性和易用性方面正在取得真正的進(jìn)步。盡管個(gè)數字控制理念已有 30 多年的歷史，但我們現在才看到這項技術(shù)的廣泛應用。
數字電源架構的演變
開(kāi)關(guān)電源的調節和控制過(guò)程包括生成驅動(dòng)一個(gè)或多個(gè)功率晶體管的脈寬調制（PWM）信號。在所有開(kāi)關(guān)調節器中，PWM 信號在某種意義上都是數字信號。因此，考慮使用數字控制器來(lái)生成 PWM 是一個(gè)自然的想法。
一些早的數字電源控制器使用稱(chēng)為數字信號處理器 (DSP) 的專(zhuān)用微處理器和通用微控制器 (uC)。在這些控制器中，代表穩壓電源輸出電壓的模擬信號被數字化，然后在 DSP 中處理數字信號。雖然 DSP 的處理能力非常強大，但為了實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)電源控制所需的快速處理速度，需要高時(shí)鐘速度。這些 DSP 所需的高時(shí)鐘速度和固有的高偏置電流意味著(zhù)功率轉換過(guò)程中會(huì )消耗大量功率。此外，DSP 對于開(kāi)關(guān)電源應用來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴。見(jiàn)圖1。
大約 10 年前，基于專(zhuān)用功能狀態(tài)機的數字電源控制器開(kāi)始出現，首先出現在學(xué)術(shù)界，然后出現在商業(yè)產(chǎn)品中。這些狀態(tài)機專(zhuān)門(mén)設計用作數字開(kāi)關(guān)電源控制器?？刂破靼糜诠β兽D換目的的專(zhuān)用硬件外設。它們經(jīng)過(guò)優(yōu)化，使得數字電源開(kāi)始在廣泛的應用中經(jīng)濟可行。這是數字電源歷史上的轉折點(diǎn)?，F代數字電源轉換器 ZL6105 的框圖如圖 2 所示。調節環(huán)路的關(guān)鍵元件是一個(gè)特殊的狀態(tài)機——PID數字補償器。
數字電源架構的優(yōu)點(diǎn)
數字信號處理技術(shù)非常適合數字 PWM 信號生成，并允許實(shí)施先進(jìn)的處理算法：濾波器、性能優(yōu)化算法以及非線(xiàn)性控制和自動(dòng)補償。優(yōu)化的低功耗電壓設置 DAC 以及電壓和電流監控 ADC 提供的遙測設施和信息比模擬世界控制器先進(jìn)得多。所有這些使數字電源技術(shù)能夠提供新水平的轉換性能、功能和集成度。
提高效率
得益于數字控制，Zl6105 能夠執行算法來(lái)優(yōu)化頂部和底部 FET 柵極驅動(dòng)器信號之間應用的死區時(shí)間。在同步降壓轉換器中，MOSFET 驅動(dòng)電路的設計必須確保頂部和底部 MOSFET 永遠不會(huì )同時(shí)處于導通狀態(tài)。相反，兩個(gè) MOSFTS 長(cháng)時(shí)間關(guān)閉會(huì )導致電流流過(guò)其寄生體二極管，從而降低電路效率。ZL6105 具有不斷調整死區時(shí)間非重疊的算法，以限度地減少損耗，從而限度地提高效率。該電路將消除由于元件變化、溫度和負載影響而導致的死區時(shí)間差異。
集成度和可靠性
可靠性是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述電源不會(huì )發(fā)生故障的相對可能性。一般來(lái)說(shuō)，任何系統（包括電源）的可靠性都會(huì )隨著(zhù)組件數量的增加而降低?，F代數字電源控制器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們高度集成，并且需要更少的組件來(lái)實(shí)現全功能電源。
ZL6105數字電源控制器不僅集成了電源轉換控制，還集成了電源管理、故障管理和遙測功能。諸如斜坡上升和下降排序、開(kāi)關(guān)相位擴展、電流共享、故障擴展等同步功能是通過(guò)專(zhuān)有通信總線(xiàn)使用通信來(lái)執行的。主機的系統監控是通過(guò) I2C 接口使用行業(yè)標準電源管理總線(xiàn)命令 (PMBus?) 執行的。所有這些都從設計中消除了數十個(gè)組件。在集成 FET 控制器（如 ZL2101）甚至完全集成的電源模塊（如 ZL9117）中可以實(shí)現進(jìn)一步的硬件集成，從而提高可靠性。圖 3 顯示了如何輕松地將兩個(gè) ZL9117 模塊組合起來(lái)構建兩相均流軌。
以方式監控和響應環(huán)境變化的能力增強了數字電源的穩健性。例如，ZL6105 監控內部芯片溫度和外部溫度。這使得控制器能夠補償溫度敏感的測量結果，以實(shí)現的控制和監控。輸入、輸出電壓和輸出電流監控使 ZL6105 能夠檢測系統故障，并通過(guò)可配置的故障反應防止對電源和負載造成災難性后果。
易于使用和自動(dòng)補償
穩定性是電源的關(guān)鍵運行要求。在穩壓電源中，穩定性由反饋路徑的特??性控制。電源工程師需要確保在所有負載條件、環(huán)境條件和組件特性變化下穩定運行。設計在所有這些條件下保持穩定的反饋環(huán)路是一項耗時(shí)的任務(wù)。
數字電源解決方案提供了模擬補償的替代方案。數字補償無(wú)需外部元件，只需改變數字寄存器中存儲的增益值即可進(jìn)行調整。數字濾波器不僅僅是模擬濾波器的替代品。數字濾波器可以執行遠遠超出模擬濾波器能力的功能。例如，在高 Q (>0.5) 二階電路中，設備中的極點(diǎn)是復共軛極點(diǎn)，這可能需要補償網(wǎng)絡(luò )中的復共軛零點(diǎn)才能有效補償。傳統的模擬補償器僅提供實(shí)零點(diǎn)進(jìn)行補償。另一方面，數字濾波器可以輕松提供復共軛零點(diǎn)來(lái)補償高 Q 電源。
盡管如此，即使有這一優(yōu)勢，在許多情況下也不足以在所有條件下穩定和優(yōu)化電源。初始電感器和電容器值可能會(huì )有 +/- 10% 的變化。這會(huì )顯著(zhù)改變控制環(huán)路，甚至導致電源穩定性顯著(zhù)降低。例如，電解電容器的電容和ESR等特性會(huì )隨著(zhù)溫度而發(fā)生很大變化。真正需要的是一種自動(dòng)補償電源的方法。
Intersil 的 Zilker Labs 近發(fā)布了幾款具有自動(dòng)補償功能的部件。所有這些都使用先進(jìn)的數字算法來(lái)表征工廠(chǎng)并確定適當的補償設置以實(shí)現穩定運行。
所有這些轉換器都使用數字 PWM 控制器的專(zhuān)用狀態(tài)機和嵌入式微控制器來(lái)監控電路、環(huán)境條件和配置文件，以實(shí)時(shí)設置和修改狀態(tài)機操作。
在自動(dòng)補償過(guò)程中，微控制器通過(guò)系統地調整補償系數，同時(shí)觀(guān)察系統的響應，來(lái)調整狀態(tài)機以穩定功率轉換過(guò)程。雖然這確實(shí)會(huì )對輸出產(chǎn)生輕微的擾動(dòng)，但它幾乎難以察覺(jué)，并且完全在允許的瞬態(tài)包絡(luò )內。
在實(shí)際應用中，自動(dòng)補償很容易使用。只需啟用電源，控制器即可完成所有工作。圖 5 顯示了典型電源在電源得到充分補償之前（上）的瞬態(tài)響應。第二條跡線(xiàn)（下方）顯示自動(dòng)補償后的瞬態(tài)響應。
自動(dòng)補償的另一個(gè)好處是該設備具有補償算法的特征?？梢栽陔娫吹恼麄€(gè)使用壽命期間監控增益、Q 和固有頻率的值，并且可以在系統發(fā)生故障之前多次觀(guān)察到設備的顯著(zhù)變化。這允許用戶(hù)結合系統健康狀況的預測診斷以提高可靠性。
自動(dòng)補償為設計工程師節省了大量時(shí)間，產(chǎn)生更穩定的電源，并有可能提高電源系統的可靠性和魯棒性。
結論
與傳統模擬控制器相比，數字電源控制在性能、可靠性、大量功能和易用性方面具有許多優(yōu)勢。從傳統的模擬功率控制切換到數字功率控制既簡(jiǎn)單又有益。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
一種新的軟件時(shí)序偏差校準方法加速雙脈沖測試進(jìn)程
支持 OTA 更新的MCU很多 為何 ESP32這么受歡迎？
速來(lái)圍觀(guān)|瑞森半導體慕尼黑華南電子展主題演講
利用開(kāi)放式RAN網(wǎng)絡(luò )解決時(shí)間難題
