解決愈加緊迫的電源穩壓和安全問題需要高效和智能的電源，并且這些電源應能提供外部監視功能，還可以通過最少的硬件改變實現高性價比地制造。

　　電源技術的進步表明，電源轉換反饋環路的數字化控制可以幫助設計師創建具有更高功率密度的精確且可靠的電源，并且成本更低，上市速度更快。這些數字電源可以在生產過程中的任何時候方便地進行定制，因為全部修改可以用軟件而非硬件實現。

　　在小于100W的直流到直流電源和小于250W的交流到直流電源中模擬反饋電路仍具有很大的意義。然而在高性能、高等級的電源中，電源轉換反饋環路的數字化控制越來越重要，因為它能克服有時由固定模擬技術引起的大多數限制。

　　例如，電容負載可能顯著影響電源的穩定性。雖然模擬反饋系統也能處理電容負載，但負載電容的大幅變化可能超過設計的相位和增益余量。數字反饋系統的優勢在于它能隨時改變補償方式，能讓反饋環路實時補償負載特性的更寬范圍變化。

　　轉向數字方式

　　直到最近，數字反饋系統也很少使用，因為它們非常復雜，所需DSP成本高，而且DSP外設的功能有限。然而通過培訓，人們能感覺到的復雜性正在逐漸降低，而數字信號控制器（DSC）的推出也有助于減輕與成本和外設功能有關的問題。

　　DSC充分結合了MCU的外觀和感覺以及DSP的運算和處理能力。CPU設計采用了通常在DSP中運用的數學函數，而外設的功能和靈活性可以追溯到嵌入式控制器。因此目前的DSC既具有DSP的數學性能，也保持著靈活性和外設的復雜對等特性。DSC極大地降低了設計復雜性，不需要消耗CPU性能就能實現設計目標。

　　事實上，在這些性能的支持下，使用DSC的設計確實要比DSP設計簡單得多，因為許多DSC集成了電源專用的片上外設。這種外設包含了基于計數器的脈沖寬度調制（PWM）模塊、模擬比較器和模擬到數字轉換器（ADC），因此可以實現基于模擬比較器的反饋環路和ADC采樣。這些功能再加上單時鐘周期內的快速乘法能讓DSC輕易提供電源控制環路軟件所需的高執行速率。

　　DSC的功能和高功率設計的較低開關頻率使得具有合適外設但性能適中的DSC也能輕松處理多個控制環路。這意味著單顆芯片不僅能提高電源的響應特性，還能同時為多個獨立輸出做到這一點。

　　在開始電源設計前，設計師必須作出三種基本選擇：

　　1. 設計采用什么拓撲？

　　2. 采用什么工作模式？

　　3. 采用什么樣的控制方法？

　　拓撲主要取決于設計的輸入至輸出電壓比。工作模式則取決于拓撲和所要求的輸出電流以及與元件相關的成本。最后，控制方法通常取決于可用的技術以及重要性稍低的器件成本。下面將詳細討論上述每種選擇，并指出使用DSC將如何影響這些選擇。

　　拓撲

　　如上所述，拓撲主要取決于設計的輸出輸出電壓比。具有較高輸入電壓的設計通常使用降壓拓撲，而較低輸入電壓的設計通常采用升壓拓撲。然而，影響拓撲選擇的另外一個因素是具有必備特性的PWM控制器，它要與所選拓撲相兼容。畢竟，如果設計師不能產生正確的開關信號，那么開關模式的電源（SMPS）就不可能實現。

　　這正是DSC的切入點。由于DSC的外設是可編程的，因此可以產生單相PWM輸出、兩相或三相PWM輸出、半橋驅動輸出甚至全H-橋驅動輸出。事實上，由于DSC外設的可編程性，給定拓撲無需保持不變。

　　為了防止形成直通電流，DSC可能在橋輸出之間采用死區控制電路。

　　從單相切換到兩相然后再到三相、同時保持相位間的合理相移完全在DSC的能力范圍之內。一些DSC甚至包含了橋輸出之間的死區控制，可用來防止同步開關設計中產生直通電流。

　　工作模式

　　下一個要考慮的問題是工作模式。通常模擬設計工作在連續電感電流或非連續電感電流模式。這兩種模式具有各自的獨特優勢。非連續電源模式設計可以保持穩定電壓，即使輸出電流小至零。而連續設計使用較小的磁性元件，對輸出電壓紋波有較嚴格的控制。直到最近業界還無法有效地整合這兩種模式，因為它們有不同的反饋要求。

　　然而，DSC的可編程外設可以在設計工作時隨時重配置。這意味著基于DSC的設計可以在不同工作模式之間切換，當輸出電流足夠大時切換到連續模式以獲得穩定的工作，當輸出電流降到足夠低時再切換到非連續模式。

　　雖然模擬設計肯定可以執行相同的轉換，但它要求兩條反饋路徑（一種模式一條），在轉換時會有瞬時的毛刺。因此DSC還有一個額外優勢，即只需要一條反饋路徑。由于是基于軟件的反饋技術，因此可以預加載反饋濾波器的存儲元件，從而避免出現轉換毛刺（圖2）。

　　DSC具有改變操作模式的靈活性。

　　控制方法

　　最終設計選擇是在設計的控制方法方面，是使用電壓模式還是電流模式控制。傳統的模擬SMPS設計使用這兩種控制技術之一，最終取決于成本和可用技術。

　　電壓模式控制是比較老的方法，在大多數早期的SMPS設計中經常被采用。它使用斜坡發生器和電壓比較器將來自誤差放大器/環路濾波器的誤差信號轉換為PWM脈沖寬度。簡單的電壓模式控制方法有三個基本局限性。第一，沒有限流機制保護電路元件。第二，它對輸入或輸出瞬變的反應很慢。第三，它產生的反饋環路不穩定。

　　電流模式控制是更好和更安全的控制方法，它由雙環格式組成。內部電流環設計用于將電感充電到輸出電壓環路規定的峰值電流。外環類似于電壓模式控制的反饋環路，主要用于監視輸出，對反饋進行相位/頻率補償，并調節電流環傳送的能量。

　　因為內環以逐個周期為基礎調整電感電流，因此電感實際上不會記憶上個脈沖，不會運送前個周期的能量。它還能為晶體管提供峰值電流保護，消除磁性元件中的“棘輪效應”，抑制輸入電壓的變化，并提供方便的控制環路補償。

　　數字SMPS設計中電流模式控制的高效實現依賴于使用DSC。DSC具有板上PWM外設，其工作方式與電流模式PWM發生器相同（圖3）。不同點在于數字反饋的輸出。電壓模式設計使用反饋直接控制PWM的占空比。在電流模式設計中，DSC的PWM具有基于比較器的脈沖終止功能，可以根據電流反饋調節脈沖寬度，并且數字到模擬轉換器（DAC）的輸出由數字反饋驅動。

　　電流模式控制是通過計算SMPS設計要求的PWM頻率和最大占空比、然后用這些參數配置PWM計數器實現的。這就設定了最大的占空比和系統的脈沖頻率。接下來設計必須調整參考DAC輸出來處理有望最大范圍的電流反饋信號。這樣做可以在控制PWM占空比時提供最高的分辨率。

　　最后，還必須開發用于控制和穩定系統所需的特殊比例-積分-微分（PID）軟件例程。這個例程必須根據來自ADC的反饋電壓提供合適的反饋信號來實現穩定性能。另外，這個例程必須將這個反饋信號與自己內部的數字參數進行比較，并輸出理想的電流設置給產生比較器參考信號的DAC（圖3）。

　　這個SMPS設計采用的是基于DSC的數字電流模式控制。

　　數字環路控制

　　SMPS設計使用DSC時需要考慮的一個關鍵因素是確保板上PWM模塊為電源設計提供足夠的分辨率。DSC的ADC要向控制環路提供狀態（反饋），因此也應具有足夠的分辨率。

　　其次，謹慎選擇DSC也很重要，DSC內置的模擬比較器必須有足夠快的速度匹配所產生的脈沖寬度。雖然可以用ADC替代比較器用于終止PWM脈沖，但DSC必須連續監視和處理信號。這將浪費它們的處理能力，因為被監視信號只與固定限值比較。高速模擬比較器可以解放處理器和ADC，讓它們執行其它更高價值的任務，同時幫助DSC執行電源故障和限流功能。

　　此外，DSC中的ADC模塊提供獨立的采樣保持電路是很有用的，能讓DSC以精確的時間同時采樣多個電壓或電流。這樣即使瞬時信號也可以被采樣，并且有助于降低系統成本。如果ADC可以異步采樣就更好了，因為這樣能支持工作在不同頻率的多個控制環路，如運行在70kHz的功率因素校正（PFC）電路和運行在250kHz的直流直流轉換模塊。

　　SMPS設計中的PID算法

　　利用PID算法，實際電壓與理想輸出電壓之間的比例、積分和微分誤差同時被用來控制PWM占空比。PID算法共有三種基本的形式：

　　1. 串行，或交互；

　　2. 并行，或非交互；

　　3. 理想的并行。

　　電壓和電流模式控制環路中都可以部署PID算法。另外，DSC不要求復雜的DSP編程技巧，因為它們將DSP功能作為人們熟悉的MCU環境中的外設加以提供。

　　占空比超過50%可能會產生電流模式的穩定性問題。不過可以通過PID軟件設定要求的電流等級而輕松地解決這個問題。因此很容易調整DAC值，并使得數字化方式實現斜率補償比模擬方式要容易得多，它需要一個與PWM脈沖同步的斜坡發生器和一個將斜坡與電流反饋相加的求和點。

　　上述技術將生成基于經濟和較低MIPS的DSC的電流模式SMPS設計，而不是基于運行在1到2BIPS的快速控制器的設計。例如，Microchip公司提供的dsPIC30F202X DSC就包含有高分辨率數字PWM發生器、200萬樣本每秒標稱性能的ADC、與10位參考ADC相連的高速模擬比較器和一個30MIPS、具有DSP功能的控制器（圖4）。

　　像Microchip公司的dsPIC30F202X這種較低MIPS的經濟型DSC并非采用運行在1到2BIPS的快速控制器，但它能提供電流模式SMPS設計的基礎。

　　PID控制環路是控制軟件的核心（圖5），它以固定時間為基礎在ADC中斷下運行。象電壓上升/下降、誤差檢測、前向反饋計算和通信支持例程等系統功能應在？空閑環路？中執行，以便減輕PID控制軟件中不必要的工作負擔。

　　位于軟件核心的是PID控制環路結構。

　　PID環路是軟件中對時間最敏感的部分。因此為了確保DSC資源得到高效使用，環路不應使用超過66%的可用處理器帶寬。這樣才能使設計有足夠的能力處理通信等空閑環路功能，或支持軟啟動和排序等功能。

　　在基于30MIPS DSC的SMPS應用中，這將轉換成包含有30條指令的PID環，執行時間約為1μs。按照500kHz（或2μs）的反復速率，PID控制環路使用一半的可用處理器帶寬，或15MIPS。

　　自由創新

　　電源使用數字反饋控制有許多優點。最大的優點是它們具有很大的靈活性，可以讓設計師自由地創新設計。如上所述，設計師最關心的是實現設計所需技術的可用性。DSC的優點在于其可配置性，它能讓設計師創建專門針對目標設計的合適技術。

　　例如，一個電源可能需要在啟動和關閉期間協調多個輸出電壓，或者在一組獨立的電源轉換模塊之間執行負載或電流分擔。在這些情況下，數字反饋控制無需額外成本就能提供這樣的功能。按這些方式使用模擬器件定制電源是相當昂貴。另外一個優點是可以隨時對系統作出修改的能力，或叫做熱交換能力。例如，如果電信或其它任務關鍵應用中的電源模塊發生了故障，服務技術工人可以在系統不間斷工作的情況下用新的電源模塊替換掉有缺陷的電源模塊。這種熱交換功能要是使用模擬器件實現的話將非常昂貴，但如果是受DSC數字化控制的電源將極具性價比。

　　另外，如果要求電源必須能夠適應變化的要求，DSC也能輕松進行再編程。如果是模擬的電源設計，你必須利用新的模塊重新開始。而且由于采用了片上閃存，DSC可以簡化電源生產組裝線。這意味著單個硬件設計經過配置可以滿足不同用戶的電壓和/或電流要求。

　　另外，通過編程DSC中的閃存可以實現電源的微調和校準。這種方法不需要微調管或激光微調電阻。數字電源還能加載測試友好的軟件進行電路板測試，或根據相同的DSC硬件平臺生成多個定制產品。

　　本文小結

　　總之數字電源轉換的好處非常多，設計師可以通過使用帶電源友好型片上外設的DSC獲得方便高性價比的設計。數字電源能讓設計師自由創新和開發出更高可靠性、靈活性和瞬態響應的電源，還能在生產后期通過修改固件而不是硬件方便地進行定制。

　　作者：Keith Curtis

　　安全、微控制器和技術開發事業部技術工程師

　　Microchip公司