在過去五年中，數(shù)字電源經(jīng)歷了快速的增長，工業(yè)領(lǐng)域享受了數(shù)字控制給傳統(tǒng)模擬領(lǐng)域帶來的許多好處。這已經(jīng)得到來自各種微控制器供應(yīng)商的許多新產(chǎn)品的支持，這些產(chǎn)品專門針對數(shù)字電源市場。

圖1：模擬控制電源

在傳統(tǒng)的模擬電源中，使用由運(yùn)算放大器和比較器組成的控制集成電路，以及一系列精心選擇的外部電容器和電阻組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)控制。這些都給電源提供了期望的瞬態(tài)負(fù)載性能和在頻域中的穩(wěn)定性，即S域。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是固定的，并且經(jīng)常由于反饋路徑中存在帶寬限制光耦合器而受損。如圖1所示。

圖二：數(shù)字控制電源

當(dāng)我們提到數(shù)字電源時(shí)，我們實(shí)際上指的是調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電源的數(shù)字控制回路，它取代了自1980年代以來在開關(guān)模式電源中使用的模擬控制IC。如圖2所示的數(shù)字電源，模擬控制IC及其相關(guān)的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)已被微控制器取代。

微控制器用于關(guān)閉電源的反饋回路。在典型的數(shù)字控制電源中，微控制器上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊對輸出電壓或電流進(jìn)行采樣。這與需求參考值進(jìn)行比較，結(jié)果是一個(gè)誤差項(xiàng)。然后，誤差項(xiàng)被用作離散時(shí)間控制器（通常是兩極二零或三極三零控制器）的輸入，該離散時(shí)間控制器在離散時(shí)域z域中具有極點(diǎn)和零點(diǎn)。離散時(shí)間控制器以精確和預(yù)先定義的間隔執(zhí)行，每次都有一個(gè)新的ADC采樣可用。

圖3：離散時(shí)間兩極，二零控制器

這種離散時(shí)間控制器的一個(gè)例子如圖3所示。該控制器由五個(gè)乘法累加操作組成，這些操作被稱為數(shù)字信號處理器（DSP）上的乘法累加器（MAC）指令。該采樣周期x[n]，誤差項(xiàng)的控制器的輸入乘以控制器系數(shù)B0。Z-1項(xiàng)是單位延遲，并導(dǎo)致先前的輸入到控制器[X-N-1 ]，乘以系數(shù)B1。在此之后，存在另一個(gè)單位延遲，因此從前兩個(gè)采樣周期的誤差項(xiàng)x [n-2 ]乘以B2。在圖3的右側(cè)，同樣的過程被應(yīng)用到控制器的輸出。控制器的前一個(gè)輸出y[n-1]乘以A1，前一個(gè)采樣周期y[n-2]的輸出乘以A2。這些乘法被累加在一起，結(jié)果是該采樣周期控制器的新輸出。控制器y[n]的輸出是脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器的占空比或諧振/脈沖頻率調(diào)制(PFM)拓?fù)涞拈_關(guān)頻率的新值。

就像s域中的模擬補(bǔ)償器一樣，圖3所示的離散時(shí)間控制器在z域中具有頻率響應(yīng)。正是控制器系數(shù)決定了頻率響應(yīng)，從而決定了電源的穩(wěn)定性。因此，工程師必須分析計(jì)算控制器系數(shù)以穩(wěn)定電源。

微控制器在電源中使用多年，目的是使用相對簡單和低成本的微控制器實(shí)現(xiàn)諸如PMbus和風(fēng)扇速度控制的基本功能。然而，全數(shù)字控制以前在服務(wù)器和電信市場最為普遍，在工業(yè)和醫(yī)療市場的占有率滯后。

制約數(shù)字控制轉(zhuǎn)換的因素主要是與數(shù)字功率相關(guān)的成本和復(fù)雜性。好消息是，具有實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制所需的DSP功能的現(xiàn)代微控制器的成本近年來已顯著降低，使得它們可用于更多的設(shè)計(jì)。然而，復(fù)雜性仍然是一個(gè)問題。這種復(fù)雜性源于對設(shè)計(jì)電源的混合域方法的需要；工程師需要將他們的電源設(shè)計(jì)知識與編寫有效代碼和穩(wěn)定離散時(shí)間控制回路的能力結(jié)合起來。

那么，切換到數(shù)字控制的原因是什么呢？數(shù)字控制回路比模擬回路具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電源對控制回路部件的環(huán)境、溫度、老化和公差不敏感。它允許系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電源的性能，并根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)以調(diào)整性能。此外，先進(jìn)的離散時(shí)間控制技術(shù)允許我們實(shí)現(xiàn)比模擬補(bǔ)償器更高的性能，在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)從瞬態(tài)恢復(fù)過來。這一直是特別關(guān)注的負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器市場，一直很大的采用數(shù)字電源。一個(gè)高性能的微控制器可以用來穩(wěn)定和調(diào)節(jié)多個(gè)功率級，而不需要為每個(gè)功率級提供單獨(dú)的模擬控制IC。

對于高效率轉(zhuǎn)換器的不斷增長的需求是一個(gè)領(lǐng)域，其中數(shù)字電源的靈活性提供了超出典型模擬控制方案能力的解決方案。這包括調(diào)整PSU的操作以達(dá)到最佳的零電壓或零電流開關(guān)-減少開關(guān)損耗，提高整體效率。或者，我們還可以考慮提高使用多個(gè)電源的整體數(shù)據(jù)中心或系統(tǒng)的效率的影響。這可以通過基于來自系統(tǒng)內(nèi)的主控制器的信息響應(yīng)關(guān)閉或進(jìn)入低功率模式的請求來實(shí)現(xiàn)。

圖4：典型的控制回路持續(xù)時(shí)間與PWM開關(guān)周期。

用于數(shù)字功率應(yīng)用的最新微控制器包含DSP功能，允許數(shù)字控制環(huán)路在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)只在單個(gè)PWM開關(guān)周期的一小部分內(nèi)執(zhí)行。圖4顯示了一個(gè)典型的數(shù)字電源的PWM開關(guān)周期。在這個(gè)簡單的例子中，每個(gè)開關(guān)周期輸出電壓一次。一個(gè)幾百納秒的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間對于設(shè)計(jì)用于數(shù)字功率應(yīng)用的微控制器來說是典型的。在ADC轉(zhuǎn)換之后，調(diào)用中斷服務(wù)例程來執(zhí)行離散時(shí)間控制器。這是一個(gè)時(shí)間關(guān)鍵例程，因此控制器可以用匯編代碼編寫，以利用MAC指令并優(yōu)化每個(gè)指令周期的使用。