數字控制利用模擬技術很難做到的復雜控制算法大幅提高系統效能，這不僅讓傳統電源架構的效能更強大，還可實現過去由于缺少精密控制算法而無法達成的電源創新。數字控制還能免除容易受到老化和溫度影響的外部模擬元器件，進而讓系統可靠性獲得改善。在線可編程能力 (in-system programmability) 的加入使得制造商只要修改軟件就能調整系統設計、開發客制化產品和縮短設計周期。
 
數字化電源控制對電源系統設計人員并不新鮮。過去二十年里，包括馬達驅動器和三相電源轉換器在內的許多應用早就通過通用處理器和DSP實作各種數字控制方法。在這些應用中，電源半導體元器件由于在相對較低的開關頻率下操作，因此低效能處理器也能執行復雜的控制和監控作業。開關式電源供應的數字化控制需要高速處理能力和低成本系統解決方案才能實現，這使得系統設計人員有段時間對它們避之唯恐不及。但隨著數字控制技術不斷進步，數字化開關電源的控制方法、架構和電路實作技術又再引起業界注意。

 
 
數字控制器架構考慮

數字化開關電源控制器要在市場上成功，就必須具備低成本和易于使用等優點，同時提供一種方法來實現模擬技術不易達成的功能及效能。此處將考慮三種常用架構：DSP、客制硬件和特殊應用處理器。

DSP架構必須對所有相關系統參數進行模擬數字轉換，同時由另一顆處理器實時執行控制和管理算法。這種做法雖然很有彈性，但是實際成本、體積和效能卻比模擬技術受到更多限制。例如以更高PWM頻率操作的應用由于受到DSP帶寬限制，其效能或許會輸給模擬技術。
 
硬件式設計 (圖1B) 則會用固定架構的硬件狀態機器來執行控制算法，這與DSP架構大相庭徑。這種架構雖比DSP架構的效能更強和成本更低，卻沒有任何彈性，必須通過專門設計才能符合特定終端應用的要求。
 
特殊應用處理器 (圖1C) 結合DSP解決方案的可編程特性以及硬件解決方案的效能和低成本，它會利用專屬的可規劃式硬件來執行效能需求較高的運算，例如各個周期的控制變量計算和電流限制。硬件處理器是由一個效能較低的可編程系統處理器負責管理，它會持續修改硬件處理器的參數，使得系統在任何電源或負載下都能發揮最大效能。系統處理器還會執行系統預測及管理功能。這種架構兼具彈性與效能，故可提供體積更小的低成本解決方案。

 
數字控制概述

此處將對傳統模擬控制與數字控制進行比較。在此之前，我們先簡單復習模擬電壓模式控制和電流模式控制。圖2即為模擬電壓模式控制電路，脈沖寬度調變 (PWM) 周期是由自由型 (free-running) PWM時鐘的邊沿所啟動。這個時鐘的邊沿會設定PWM鎖存器 (以便讓電流通過電感或變壓器) 并產生一個線性斜坡電壓送到PWM比較器。誤差放大器則會將參考電壓減掉輸出電壓并加上適當的頻率補償來產生補償后誤差信號 (VERROR)，再由PWM比較器比較斜坡電壓與補償后誤差信號，并在兩者差異為零時重設PWM鎖存器。

 電流模式控制可以調節輸出電流，這使它的輸出瞬時響應速度比電壓模式控制還要快。如前所示，PWM周期是由PWM頻率設定鎖存器所啟動，但控制器要等到電路提供提供充份的電流給負載并使誤差為零后才會重設。 

這些控制方法雖不完美，卻各有最適合的應用領域。表1總結列出了電壓模式和電流模式控制的優點和缺點。
 

表1：電壓模式與電流模式控制的比較

考慮因素	電壓模式	電流模式
設計困難度	單回路 – 易于設計/分析	雙回路 – 設計和分析較困難
瞬時響應	比電流模式慢	比電壓模式快
補償	較復雜：3個極點，2個零點	較簡單：1個極點
電流分擔	需要額外電流	固有功能
變壓器磁通量平衡	需要額外電路	固有功能
噪聲耐受性	良好	很差，尤其負載很小時
負載周期超過50%時的操作能力	正常操作	50%以上的負載周期就需要斜率補償
個別脈沖限流	需要限流電路	固有功能
回路增益隨輸入電壓而改變	需要輸入電壓前授電路	增益不會改變
多輸出電壓	良好互穩壓能力 – 不需要耦合電感	需要耦合電容

 
一種最佳的數字控制器架構

Silicon Laboratories的Si825x系列是圖1C所示架構的最佳范例。這顆控制器包含一組專屬的信號處理硬件和一個內含閃存的可編程管理處理器，前者專門執行濾波器和調變功能等高帶寬作業，后者則執行低帶寬回路最佳化、系統管理和例外 (exception) 處理等功能。管理處理器并未位于高帶寬信號路徑，這使它設計更簡單、成本更低和更容易進行編程設定。這種做法的彈性雖然不比DSP好，但已能支持種類廣泛的開關式電源供應設計。Si825x的處理能力可用來產生更精密的控制算法，同時讓這些算法兼具電壓模式和電流模式控制的優點以及將兩者的缺點減至最少。這種“數字化電壓模式控制”實際上就是一種結合多個小型效能增強回路的主電壓模式控制回路。
 
Si825x是采用低成本CMOS技術的單芯片混合信號元器件，可用于各種DC/DC和AC/DC轉換器應用。

Si825x包含一個電源供應專用的硬件方塊DSP和軟件可編程的系統管理處理器，前者提供高帶寬、完全獨立的數字控制回路功能，后者則可執行系統功能。硬件方塊控制路徑包括高速差動式模擬數字轉換控制器 (ADC)、電壓參考型數字模擬轉換控制器 (DAC)、可編程IIR (Infinite-Impulse Response) 補償器和六相位DPWM有限狀態機器。DAC、ADC與補償器會合作產生負載周期控制信號來調變6組獨立控制的DPWM相位輸出。

另外，還有提供個別周期 (cycle-by-cycle) 電流限制和故障偵測功能的保護電路，它們是硬件數字控制回路不可或缺的一部份。系統管理處理器單元提供一個以指令為基礎的引擎，包括一組8通道自排序 (self-sequencing) 模擬數字轉換器、一組以8051為基礎的50MIPS微控制器、四組16位定時器和其它系統外圍I/O，它們共同提供系統初始化、控制回路最佳化、故障復原、系統內部管理功能 (housekeeping)、通訊界面、軟啟動/停止和使用者定義的功能。其它系統功能還包括高精準度 (2.0%) 振蕩器、可為DSP和微控制器提供所有必要頻率的鎖相回路 (PLL) 頻率倍頻器、存儲使用者編程 (user-defined programming) 的非揮發性編程存儲內存 (non-volatile memory)、UART和GPIO端口。Si825x還提供監控緩存器和組態緩存器來幫助兩顆處理器進行界面連結。
 
這種控制器的架構類似于模擬電壓模式控制。如圖所示，Si825x的“控制處理器”架構直接對應于圖2的模擬電壓模式控制器。它還會像模擬控制器一樣利用差動輸入模擬數字轉換器和數字濾波器組成的“數字誤差放大器”將參考電壓減掉輸入電壓。圖4的數字誤差項u(n) 就像是模擬誤差項VERROR。由于輸出負載周期也是補償后誤差變量u(n) 的函數，所以數字PWM (DPWM) 就等于是模擬PWM。這款控制器還會利用專屬的個別脈沖限流電路在電流達到最大允許值時切斷PWM波形，這與許多模擬控制器非常類似。
 
控制處理器提供系統閉回路控制，系統處理器則提供可編程智能功能來提高效能。系統處理器包含一個高速CPU和一個用來將輸入電壓與電流等重要系統參數數字化的12位模擬數字轉換器。這個CPU可做為多回路控制器并利用12位模擬數字轉換器提供的信息將控制處理器的動作最佳化；換言之，這個CPU可以調整開關控制時序、電壓參考設定值、保護臨界值和回路帶寬等控制參數，以便提高系統在所有電源和負載條件下的效能。

根據上述說明，再重新參考表1內電流模式優于電壓模式的部份：
·瞬時響應更快；
·補償較簡單；
·支援電流分擔；
·支援變壓器磁通量平衡；
·支持個別脈沖限流；
·回路增益不會隨著輸入電壓而改變。
 
Si825x數字電壓模式控制則能解決這些問題：
·瞬時響應更快：非線性控制可用來迅速消除瞬時現象。此處，CPU會在瞬時開始時增加補償電路帶寬，然后繼續調整回路帶寬直到瞬時現象消除為止 (此后就恢復到回路帶寬默認值)；
·補償較簡單：利用軟件實作數字控制器的回路補償功能。這樣補償功能的復雜性就不會影響元器件數目、電路板面積或成本；
·電流分擔：CPU可以執行電流分擔回饋算法，并以輸出電流做為控制變量，補償后的負載周期變量u(n) 為受控變量；
·變壓器磁通量平衡：CPU可以執行回授算法，并以變壓器兩端的有效電壓為控制變量，時序相位對稱性 (timing phase symmetry) 為受控變量；
·個別脈沖的限流保護：Silicon Laboratories Si825x之類的數字控制器大都會內建專屬電路，用來提供個別周期的電流限制和電流過載保護功能；
·回路增益隨著輸入電壓而改變：CPU可以執行輸入電壓前授算法，其中輸入電壓為控制變量，回路增益則為受控變量。
 
上述算法能彌補基本電壓模式控制法之不足，并協助實現電流模式控制的優點。更重要的是，它沒有電流模式控制的相關缺點 – 尤其是斜坡電流很小的低負載噪聲耐受性、負載周期超過50%時的斜率補償需求以及多輸出電源供應的耦合電感需求。除了上述功能之外，設計人員還能增加其它的軟件控制回路，例如CPU可以調整停滯時間 (dead time) 以便將輸入電流減至最小，這會將效率提升為最大值。

 
結語

Si825x數字化電源控制器采用雙處理器設計，它能將所有通訊及內部管理工作與主要的回路控制工作分開。這款內含雙處理器的控制器可以整合到QFN-28和LQFP-32兩種封裝。Si825x使用25MHz的內部系統頻率進行操作，它還會利用以鎖相回路為基礎的頻率倍頻器將這個頻率升頻轉換為50、100和200MHz頻率，然后提供給回路控制用的模擬數字轉換器、DPWM和某些外圍使用。可編程設定的選項包括利用外部頻率和芯片內建的3位可編程預除器 (pre-scaler) 進行操作以及80kHz的整合低頻頻率，后者對于某些耗電很小的非操作模式 (non-operational mode) 有很大幫助。Silicon Laboratories還提供一款專用的10MHz、6位回路控制模擬數字轉換器和另一款內含八通道多任務器以支持電流、溫度和其它內部測量功能的12位模擬數字轉換器。這款數字化電源控制器可同時為多數隔離式與非隔離式開關電源供應架構提供數字化電源控制和電源管理功能。

作者：
Ravi Murugeshappa，電源產品應用工程師；
Brett Etter，營銷經理；
Silicon Laboratories公司
       
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