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数字电源的基本原理

www.vstek.com.cn 2013年9月6日

    

数字电源的关键是电源管理、控制信号的数字化处理,其基本要求是:在保障稳定性的前提下,具有快速性、平稳性和准确性。下面以负载点变换器(POL)为例说明数字电源控制功能的实现原理和方法。


负载点变换器(POL)通常用于将直流输入电压(一般为5V~12V)调节成适用于负载要求的直流输出电压(0.7V~3.3V)。例如,在典型的基于降压(Buck)开关变换器的电路中,Buck变换器包含一个脉冲宽度调制(PWM)主控制芯片,一对主功率开关和一个由储能电感和电容构成的低通滤波器。在脉冲宽度调制控制芯片中,一个电阻分压器对电源的输出电压进行采样,误差放大器将该输出电压与直流参考电压进行比较从而产生电压误差信号,误差信号是一个强度与所需的输出电压校正成正比的模拟信号。通过具有某种控制规律的误差补偿器(Compensator)进行放大后,其输出进入脉宽调制器(PWM),经过与载波(通常为锯齿波或三角波)比较之后产生脉冲波,从而控制功率开关(通常为MOSFET)的导通与关断。由于MOSFET具有较大的输入门电容,因此驱动器电路有必要有效率地导通和关断它们。另有固定电阻电容网络一般会作为补偿回路,以确保动态响应和稳定性之间的正常平衡。


电源的两个其它主要部分是输入和输出滤波器网络。这些部分由感应器、电容和电阻构成,可以提供数种功能。输入滤波器有助于保护电源不受电源电压瞬态的影响,在动态负载变化过程中提供一些能量存储,并附带滤波器网络以使电源满足其输入引起的发射规范。输出滤波器稳定输出电压以确保电源满足其纹波和噪声规范,此外还存储能量以帮助维护负载电路的动态电流要求。重要的是,对于模拟或数字控制结构而言,输入和输出滤波器以及电源器件将基本上保持相同。


在典型的数字电源控制系统结构中,输出电压感应排列类似于模拟系统。但是,模数转换器(ADC)代替了模拟系统的误差放大器,从而将感应到的模拟电压值转换成二进制数。除了输出电压之外,了解电源的输出电流和温度等其它模拟参数也非常有用。虽然独立的ADC可以感应每个参数,但是采用单个ADC并在它前面加设一个多路复用路往往是更加常用的方法。多路复用器(MUX)则将在要测量的模拟输入之间切换,并依次将每个输入发送至ADC。

由于MUX和ADC的采样速率是固定的,因此ADC对每个参数都输出一系列数字,每个数字由己知的时间段分隔。这些值供给为系统提供处理能力的微控制器。卡上程序内存存储着微控制器的控制算法,这些算法负责执行一系列有关ADC的输出值的计算。这些计算的结果包括误差信号、想要的驱动器级脉宽、各种驱动器输出的最佳延迟值以及回路补偿等参数。有了这些参数,数字脉宽调制器(DPWM)就可以通过驱动后控制外接的功率MOSFET,而电源管理部分也可以通过一定的接口及协议与外界通信了。模拟系统的外部回路补偿元件此时变得不再是必需的。输出电压、输出电流和温度限制等参数的参考值在生产期间被保存在非易失性内存中,或者可以通过PMBus输入。在系统启动时,数据会由EEPROM下载到数据内存中,主芯片据此控制模块的工作状态。同时,可以通过一定的外部操作来重新读入EEPROM中的默认设置。

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