中心議題：

• 數字技術在開關電源控製中的應用和發展
• 一種新穎的電源控製技術

解決方案：

• 通過外接A/D轉換進行采樣

• 通過DSP對電源實現直接控製

1.前言

suizhedianlidianzijishudegaosufazhan
，kaiguandianyuandedaoleguangfanyingyong，errixinyueyidegaokejichanpinyeduikaiguandianyuantichulegenggaodeyaoqiu。kaiguandianyuandemonikongzhijishuyefazhanlehenduonian
，gefangmiandoubijiaochengshu，danqiwufakefuguyoudequedian：控製電路複雜，元器件比較多
，不利於小型化的發展；控製電路一旦成型，很難修改
，調試不方便；控製不靈活，複雜的控製方法也難以用模擬方法實現。

2. 數字控製技術的發展現狀

現在實現開關電源的數字控製主要有以下兩種方法：第一種是單片機通過外接A/D轉換芯片進行采樣
，采樣後對得到的數據進行運算和調節
，再把結果通過D/A轉換後傳到PWM芯片中
，實現單片機對開關電源的開關電源間接控製（如下圖所示）。如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)技(ji)術(shu)目(mu)前(qian)已(yi)經(jing)比(bi)較(jiao)成(cheng)熟(shu)，設(she)計(ji)方(fang)法(fa)容(rong)易(yi)掌(zhang)握(wo)，而(er)且(qie)對(dui)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)，成(cheng)本(ben)比(bi)較(jiao)低(di)。但(dan)是(shi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)由(you)於(yu)要(yao)用(yong)多(duo)個(ge)芯(xin)片(pian)
，電(dian)路(lu)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)；單片經過A/D和D/A轉換，有比較大的時延，勢必影響電源的動態性能和穩壓精度。也有單片機集成了PWM輸出
，但開關電源往高頻化發展，一般單片機的時鍾頻率有限
，產生的PWM輸出頻率和精度反比，無法產生足夠頻率和精度的PWM輸出信號。第二種是通過高性能數字芯片如DSP對電源實現直接控製
，數字芯片完成信號采樣AD轉換和PWM輸出等工作，由於輸出的數字PWMxinhaogonglvbuzuyiqudongkaiguanguan
，xutongguoyigequdongxinpianjinxingkaiguanguandequdong。zheyangjiukeyijianhuakongzhidianludesheji，youyuerzhexiexinpianyoubijiaogaodecaiyangsudu（TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成一次AD轉換隻需500ns
，最快的8位單片機也要最快也要幾微秒）和運算速度，可以快速有效的實現各種複雜的控製算法，實現對電源的有效控製
，有較高的動態性能和穩壓精度。但是DSP芯片結構複雜，成本比較高
；而且DSP控製技術比較難掌握，對設計者要求比較高
，在開關電源領域中難以廣泛應用。目前DSP技術已經在開關電源中開始應用
，但主要局限在對電源性能要求高的而且價格比較昂貴的領域上。

3.一種新穎的電源控製技術

數字控製的開關電源不可避免地存在以下問題：AD轉換器的速度和精度成反比。為了保證開關電源有較高的穩壓精度，AD轉換器是必須有比較高精度的采樣
，但高精度的采樣需要的AD轉換時間更長。作為反饋環路的一部分，AD轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian)過(guo)長(chang)必(bi)然(ran)造(zao)成(cheng)額(e)外(wai)的(de)相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)。除(chu)了(le)和(he)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)存(cun)在(zai)的(de)相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)以(yi)後(hou)，轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)的(de)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)必(bi)然(ran)也(ye)會(hui)造(zao)成(cheng)額(e)外(wai)相(xiang)位(wei)滯(zhi)後(hou)，使(shi)得(de)回(hui)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)變(bian)差(cha)。和(he)模(mo)擬(ni)芯(xin)片(pian)用(yong)RC補償進行PI調節的方法一樣，在控製回路中用引入PI調(tiao)節(jie)的(de)方(fang)法(fa)以(yi)提(ti)高(gao)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)，這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)需(xu)要(yao)占(zhan)有(you)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)較(jiao)大(da)的(de)係(xi)統(tong)資(zi)源(yuan)，因(yin)為(wei)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)和(he)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)不(bu)同(tong)，信(xin)號(hao)采(cai)樣(yang)不(bu)是(shi)連(lian)續(xu)不(bu)斷(duan)的(de)，而(er)是(shi)離(li)散(san)的(de)
，兩(liang)次(ci)采(cai)樣(yang)之(zhi)間(jian)有(you)一(yi)段(duan)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)
，這(zhe)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)值(zhi)是(shi)無(wu)法(fa)得(de)到(dao)的(de)。要(yao)實(shi)現(xian)精(jing)確(que)的(de)控(kong)製(zhi)
，每(mei)次(ci)采(cai)樣(yang)之(zhi)間(jian)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)不(bu)能(neng)太(tai)長(chang)
，即(ji)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)不(bu)能(neng)太(tai)低(di)。作(zuo)為(wei)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)，每(mei)次(ci)AD轉換結束後，得到的結果都會被送到係統的中央運算處理器中，然後由處理器對采樣的值進行運算和PItiaojie。zaicaiyangpinlvbijiaogaodeshihou，zhezhongzuofabijiaohaofeixitongziyuan，duishuzixinpiandeyaoqiuyebijiaogao。youyumuqianzhuanmenyongyudianyuankongzhideshuzixinpianhaibijiaoshao，zaiyaoqiubijiaogaodechangheyibandouhuiyongDSP芯片
，其運算和采樣速度快，功能強大，但價格比較高。而且DSP芯片不是專門的電源控製芯片，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高。

隨(sui)著(zhe)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)和(he)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)
，現(xian)在(zai)出(chu)現(xian)了(le)為(wei)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)而(er)開(kai)發(fa)出(chu)來(lai)的(de)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)，它(ta)不(bu)同(tong)於(yu)數(shu)字(zi)芯(xin)片(pian)的(de)中(zhong)央(yang)處(chu)理(li)器(qi)。控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)主(zhu)要(yao)由(you)高(gao)速(su)AD轉換器，數字PID補償器和數字PWM輸出三部分組成。反饋環路的控製由它來完成，中央處理器作為管理模塊應用在電源上。其原理圖如圖3所示： [page]
控製處理器由高速A/D轉換器

，數字PID補償器和數字DPWM輸出組成。外部存儲器記錄了控製處理器的相關程序。高速A/D轉換器是基於CMOS的傳輸延遲時間td 影響輸入電壓VDD的原理做成的
，VDD電壓和傳輸時間是成近似的反比例關係，即VDD越大，信號傳輸延遲時間越小。如圖2所示，以CMOS的輸入電壓VDD作位采樣電壓的輸入口

，各信號之間的傳輸時間延時td受采樣電壓VDD影響。第四分之三個采樣周期過後采樣結束位產生高電平，開始記錄q1到q8的輸出，把得到的結果送入編碼器得到數字輸出e，完成A/D轉換。如圖2b所示，數字采樣值為11111100.VDD越大，td越小得到的采樣值越大。
而傳統的ADC轉(zhuan)換(huan)器(qi)時(shi)通(tong)過(guo)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)建(jian)立(li)采(cai)樣(yang)信(xin)號(hao)的(de)，需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)
，而(er)要(yao)進(jin)行(xing)高(gao)精(jing)度(du)的(de)采(cai)樣(yang)則(ze)需(xu)要(yao)更(geng)長(chang)的(de)信(xin)號(hao)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)。采(cai)用(yong)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)AD轉換需要的時間，可以達到MHz級采樣頻率。高采樣頻率可以使DPWM的信號的更新速度達到幾百納秒一次
，實現和模擬控製類似通過不斷更新PWM信號來進行穩壓。不需要像傳統的ADC采樣那樣，在有限的采樣頻率內通過提高AD轉換精度和PWM分辨率，降低開關頻率來提高穩壓精度。DPWM時鍾由處理器係統時鍾通過鎖相邏輯環路（PLL）進行倍頻後頻率可以達到200MHz.通過這種分辨率高達5ns的DPWM控製信號
，電源開關頻率可以達到1MHz.數shu字zi補bu償chang器qi為wei電dian源yuan設she計ji提ti供gong很hen大da的de靈ling活huo性xing，控kong製zhi參can數shu通tong過guo外wai部bu存cun儲chu器qi的de程cheng序xu來lai設she定ding
，可ke以yi通tong過guo編bian程cheng來lai改gai變bian控kong製zhi策ce略lve，調tiao試shi更geng方fang便bian。由you於yu芯xin片pian是shi專zhuan門men為wei電dian源yuan設she計ji開kai關guan，簡jian化hua了le結jie構gou，降jiang低di了le成cheng本ben。相xiang信xin這zhe種zhong專zhuan門men為wei電dian源yuan設she計ji開kai發fa的de控kong製zhi處chu理li器qi將jiang會hui得de到dao廣guang泛fan使shi用yong。

目前使用這種控製技術的芯片還比較少
，Silicon Labs的Si8250就是其中一款[3].Si8250采用雙處理器的方法

，所有的通信和管理任務由係統管理處理器來完成，而控製處理器負責反饋的環路控製。係統控製環路由一個6位采樣頻率為10MHz的AD轉換器，可以每隔100ns更新一次數字PWM輸出信號

，以達到更好的穩壓效果。在而數字PID補償器裏麵分別為P，I，D的係數KP，KI和KD提供寄存器，隻要改變這些係數的值就可以改變PID控製策略。PID的值通過寄存器設定
，習慣進行模擬控製芯片設計的工程師也容易掌握。提供六路相位不同的數字PWM輸出

，可以用比較簡單的方法實現移相控製等多中控製方法。數字PWM的時鍾頻率在25MHz，50MHz和200MHz中選擇
，分辨率高達5ns.可以使開關頻率達到100MHz.

4 結語

和模擬控製相比，數字控製有著明顯的優勢。但由於目前大部分數字芯片並不能完全滿足開關電源的要求
，而能達到要求的昂貴的DSPxinpianyouguoyuanggui，suoyishuzikongzhijishuzaidianyuanlingyuzhongdeyingyongbingbuguangfan。suizhekongzhichuliqijishudetichu，yongyudianyuankongzhideshuzixinpiandechuxian
，shuzikongzhijishuzaikaiguandianyuanzhongbijiangdedaogengguangfandeshiyong。