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数字电源正在超越模拟电源

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本文摘要:数字电源正在彻底改变电源的设计方法和构建方式。本文为您讲解替代传统仿真掌控的数字电源技术:数字电源具备多达仿真方案的极大优势,不仅在性能方面(效率、瞬态号召、稳定性等),而且在上市时间和总享有成本方面也某种程度如此。基本概况Intersil用作DC/DC电源切换的ZL2008第二代自适应数字化电源控制器是一款业界领先的数字电源控制器。 它限于于非隔绝式升压、降压、升压-降压和隔绝式单管正激或反激式转换器。

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数字电源正在彻底改变电源的设计方法和构建方式。本文为您讲解替代传统仿真掌控的数字电源技术:数字电源具备多达仿真方案的极大优势,不仅在性能方面(效率、瞬态号召、稳定性等),而且在上市时间和总享有成本方面也某种程度如此。基本概况Intersil用作DC/DC电源切换的ZL2008第二代自适应数字化电源控制器是一款业界领先的数字电源控制器。

它限于于非隔绝式升压、降压、升压-降压和隔绝式单管正激或反激式转换器。在6mm6mmQFNPCB(图1)内是一个先进设备的电源控制器,构建了电源切换掌控、电源管理、故障管理和遥测功能。此外,还包括一个构建的微控制器,可以运营简单的算法,可以适应环境打破仿真方案性能的运营。

它代表了高性价比的数字电源的近期技术。数字电源架构与仿真架构的对比仿真PWM控制器通过用于一个斜坡误差信号来产生比例频率。该误差信号利用电阻和电容网络展开补偿,以改动信号来平稳掌控电路。

在数字电源中最先尝试(图2b)的比例频率是通过一个数字计数器(DPWM)分解的,其计数是由数字信号处理器要求的。虽然这种方法在数字构建方面十分强劲,但事实证明这种方法过分便宜,对于大多数实际应用于来说必须过于多的静态电流。在现代数字电源掌控当中,频率依然是由一个数字计数器分解的,但是现在的计数器是由数字状态机掌控的。

这个状态机是专门为电源控制器(而不是一般功能的DSP)设计的,所以这个解决方案更加合乎成本效益,且必须较较少的静态电流。架构使用了比例、分数、微分(PID)补偿器来平稳电源,而不必须一个原始的DSP来补偿电源。误差电压的3个要素,误差的比例、误差的分数和误差的微分融合了比较比重,以构建平稳的运营。

请注意,在架构方面数字电源比不上仿真电源不具备的一些优势:数字控制需要外部元件展开补偿。这不仅增加了元件数量,而且可以轻而易举地转变补偿,还包括随时转变,甚至随阻抗变化展开适应性转变。典型的情况是没数字控制器的外部分压器。

内部参照可以图形,因此需要用于外部分压器。这似乎增加了元件数量,而且还有助在工厂准确校准控制器,这样用户就可以获益于高精度,而需要用于便宜的用作压强的仪器电阻。

数字架构可以简单地使用数字通信,这样的操作者可以展开配备、掌控,且在完全没外部元件的条件下展开监测。一种数字电源控制器在该架构中,输入电压用一个差分放大器来检测。这个模拟信号与参照展开较为,分解个误差信号。

该误差信号被数字化(ADC),结果通过一个数字补偿网络展开处置,这将在本文几天后的部分中不予叙述。数字补偿的输入是一个频率命令,它原作了数字PWM的持续时间。然后,数字PWM掌控就可以FET驱动器,开关电源。输入电压、输出电压、输入电流、温度都可以用于一个辅助模拟数字转换器(ADC)展开检测,ADC可适配到各个检测点。

配备可以利用插槽跨接、电阻器配备,或通过I2C模块的命令的方式构建。该电源可通过插槽或I2C模块展开掌控。配备、操作者和环境条件的监测是通过I2C模块构建的。

优势1.更高水平的构建尽管这两个控制器分享完全相同数量的功率传输(powertrain)元件(功率FET、电感器、输出和输入电容),仿真控制器仍必须更好的外部元件。这是因为数字控制器构建了许多功能和特性,而这些功能和特性没构建在仿真控制器内。

如图所示,数字控制器增加了十几个元件。在实际构建中,数字控制器已被证明,在中高度简单设计中可以增加多达60%的外部元件。2.稳定性该电源转换器还包括一个具有相同调制增益Gfix的PWM控制器、高侧和较低外侧电源,输入级包括一个电感器和一个或多个电容,一个阻抗,以及对系统或掌控电路。在这种情况下,反馈控制表明为Type3(或III)放大器,但可以是任何对系统控制器。

掌控电路的用途是将输入与一个未知参照、VR展开较为,并调整PWM信号来缺失输入和参照之间的差额。除了增加元件数量方面的优势之外,数字化还获取了更进一步的优势,即构建的元件值可回应为存储在数字寄存器中的值。这有助根据设计的有所不同便利地转变这些值,甚至随时转变,或适应环境大大变化的条件。

控制系统作出的任何转变都会对系统引进一种阻碍。为构建一个强劲而简单的系统,在这种阻碍不存在的条件下系统必需保持稳定。事实上,它必需在不存在一大堆阻碍的条件下保持稳定,还包括输出电压变化、阻抗变化,甚至温度变化等等。

我们可以通过对系统路径增益如何相似-1来叙述系统的稳定性。也就是说,在增益相似-1的条件下,对系统有多相似。由于相对于输入,对系统有一个幅度(增益)和振幅,我们可以用增益裕度和振幅裕度来传达稳定性,这里的增益裕度是在振幅为180度时,测出的相对于单位增益的增益大小有多大,以及在增益为单位增益时,振幅裕度是如何相似相对于180度的振幅。振幅裕度和增益裕度可以通过奈奎斯特(Nyquist)图或波特(Bode)图来确认。

由于波特图有一个更容易加载的频率范围,因此是一个便利的工具,这将在本文中用于。如果没对系统,图5右图系统的修改传递函数可以回应为:其中:esr是输入电容esr产生的零点,n是输入级的固有频率,Q是输入级的品质因数。为超过本文的目的,我们将忽视电容esr零点的贡献,并重点注目传递函数的其余零点。

也就是说,让我们来重点注目传递函数:这个方程有两个零点。对于Q0.5(阻尼情况下),两个零点都是实数。对于Q0.5(欠阻尼情况下),两十分始共轭。对于一阶,Q值可以近似于回应为:对于1V输入,一个电感为1H,一个电容为100Fd,对应于1安培输入的Q值为10,对应于10安培输入的Q值为1,而对应于25安培输入电流的Q值为0.4。

这个方程的波特图的Gfix相等5,n相等16000Hz,右图的几个Q值是:10、1和0.4。所以振幅裕量可以在增益是单位增益的频率下通过观察振幅曲线的值必要加载。一个典型的可拒绝接受低于振幅裕度为45度。

这个水平可通过物理量的虚线来回应。在三种情况下,单位增益的交叉频率范围大约为30kHz到40kHz。

某种程度可以很更容易地显现出,低Q值(0.5,欠阻尼)情况下的振幅裕度高于45度的容许。由于这个器件相似边缘的或甚至不能接受的振幅裕度,必须展开补偿来调整系统号召以超过(更为)平稳的情形。表明了TypeIII补偿,这往往被用在一个仿真电压模式控制器对系统电路当中。

请注意,这里有6个电路元件、3个电阻和3个电容,他们是电路补偿所必需的。这个网络可以为系统号召带给两个实数零点、3个零点(还包括在零点的零点)。这些零点能用来补偿输出功率级(电感器和电容器)的两个零点。一个零点用来补偿电容esr,第二个零点用来保证高频率的较低增益。

这个网络的一个容许只不过在于它获取了实数零点,以补偿输入级的零点。正如上文早已认为的那样,输入级的零点只对较低Q值输入级是实数。

对于Q0.5,零点是复数,而随着Q值的减少,实数零点在补偿复数零点方面显得更加无能为力。数字控制为补偿获取了成熟期和简单方式的能力,本文将集中于一个非常简单的PID滤波器。这个数字滤波器使用了误差信号,比例信号之和及比例延后取样的误差信号,再行再加分数输入构建补偿器。

三个增益系数用来调整补偿。该滤波器的传递函数通过下式得出:其中A、B和C是各抽头(tap)的增益系数,分母的第一项为信号路径延后,分母的第二项为乘法级输入的累加器,T是PWM的电源频率。可以看见,这种补偿有两个零点,一个零点在零,另一个近于在无穷大。这两个零点能用来填补器件输入级的两个零点。

这些零点作为二次方程的解法经常出现在分子中。因此,视A、B和C值的有所不同,可以有两个实数零点或一对始共轭零点。

因此数字PID补偿不仅可以获取与TypeIII同等的仿真补偿,而且也可获取复数零点,这更加合适补偿复数零点。虽然构建了失望的增益和振幅裕量,比特率被迫大幅增加。右图是一个没使用数字补偿的同一个系统的波特图。请注意,数字补偿器中的复数零点最差用于复数零点展开补偿,这不仅可以产生令人满意的增益和振幅裕量,而且还可以通过单位增益交叉频率确认一个令人满意的比特率。

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因此,数字补偿获取了一个比仿真补偿更佳的补偿。此外,在用于数字补偿时,可以省却五六个元件。最后一点,人们还指出数字补偿很更容易根据设计的有所不同而转变,甚至可以随时转变。

3.更高的效率可以在电源控制器中调整若干参数以优化效率。在仿真控制器中,这些参数都是静态的,一般来说为某些点的应用于而设计,尽管人们认识到完全没应用于是运营在一个设计点。数字控制器可获取更好的优势,需要调整这些参数,根据环境、阻抗或元件的条件来适应环境运营。因此,数字电源可以比仿真获取更高的效率和更佳的性能。

为优化控制器效率,必须一个检测元件来确认转换器的比较损耗。必须比较损耗的意义在于,我们要告诉更改参数后,否减少损耗或增加损耗。一个好的损耗测量需要利用电源转换器的戴维南(Thevenin)等效电路来确认,这里的电压源,如派生的升压流形,是用输出电压乘PWM的频率。在可用转换器中,戴维南电阻应当为零,输入可以非常简单地用输出电压乘频率。

但是,在有损转换器中,戴维南电阻的电阻元件皆不为零,必需减少频率来解决这种损耗,以保持所需的输入电压。也就是说,在有损耗的情况下,频率小于可用的情况。事实上,损耗越高,频率也越高。

因此,频率测量可以被用来确认转换器中的比较损耗。来自实际升压转换器的频率(5Vin,0.6Vout)是随阻抗电流的变化作为损耗的函数测出的。因此,由于频率可以作为测量比较损耗的方法用于,可以在数字构建过程中转变参数,并对频率的影响情况展开监测。

如果频率减少,则可以在忽略的方向调整参数,可以增加频率(和比较损耗)。杀区时间是低外侧FET变频器和较低外侧FET导通之间的时间,反之亦然。如果杀区时间过长,体二极管导通代表可能会经常出现损耗。

如果杀区时间太短,那么就有可能再次发生交叉导通,也引进了损耗。在大多数设计中,最佳杀区时间不是固定值.还要留意,在20安培情况下,进关节点电压中有一些下冲,这指出杀区时间过长(造成体二极管导通)。请注意,在这种情况下,在电流函数痕迹之间差异并不大。因此,理想的死区时间有可能无法由一定的电压波形来确认。

理想的死区时间很有可能是阻抗电流的一个函数。请注意,进关节点电压过冲解释有交叉导通,即这种情况解释杀区时间太短。分别用于60纳秒和28纳秒最佳杀区时间设置的1安培和20安培的波形。

请注意,进关节点的下冲或过冲较较少。因为我们告诉,比较损耗可以通过频率测得,数字控制可以转变杀区时间,同时仔细观察频率,从而优化了转换器的效率。该算法可优化随阻抗变化,以及温度变化,及器件老化的效率,获得最佳效率。

(下曲线)和用于完全相同功率传输元件(FET、电感和电容)的Intersil的数字控制器(上曲线)的较为。在本例中,数字方式可以获取5%的效率增益,这代表可以增加多达25%的损耗。

提高效率的另一个区域是当平均值电流大于纹波电流一半时,对较低外侧FET导通时间展开计时。在实时整流中,较低外侧FET维持导通,容许电流逆向转入电感。这意味著RMS电流比平均值电流要低。事实上,即使没平均值电流,RMS电流依然很高。

由于环流的结果不会经常出现损耗。一种解决方案是转变较低外侧FET的导通时间来优化效率。如果较低外侧FET导通时间过于宽,偏移电流就不会造成较高的损耗。

如果较低外侧FET的导通时间太短,则较低外侧FET体二极管的电流导通。还有一个优化较低外侧FET计时的方法,可以用于如上所述的频率观测技术确认最佳计时。在二极管建模情况下,非常低的电流的急遽变化是由于切换到数字控制器中脉冲省略模式。

这些例子说明了数字控制在效率方面展现出高于仿真。本文小结在本文中,我们已说明了数字电源掌控高于传统仿真掌控的许多方面。虽然数字控制尚能无法几乎接管仿真掌控的市场,但我们坚信,数字控制大有前途,而设计者们不会找到使用数字电源控制器的设计更加得心应手。


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