数字电源可减轻设计者的负担

2010年01月04日16:32:43 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

采用Auto-control^TM的DC-DC转换

作者：Anthony Kelly MBA博士，数字控制副总裁，Powervation

电源轨的稳压，从控制角度看传统上是模拟集成电路领域。但是，电源转换的当前趋势正在将业界转向更小更有效的电源架构。在这些空间和效率的限制条件下智能管理多个电压轨的要求，正在推动行业走向研发和采用数字电源控制及功率管理解决方案。

IC设计经济性支持数字电源控制的采用，因为随着时间的推移降低成本的数字电路发展更快，导致数字和模拟电源控制IC的成本相当，而数字解决方案较终变得更加便宜。由于先进电源管理的要求，它是一种数字功能，IC设计的经济性指向数字电源控制器不断增长的需求，因此预计到2011年将占有市场很大的比例（大于40%）。

总之，这些趋势表明，电源控制技术的发展具有很大潜力，它利用独一无二的数字技术，以改善在电源系统设计。的确，这样的改进已被盼望了一段时间。现在是提供的时候了。

我们将从控制的角度来看看DC-DC转换，介绍与模拟技术相比本质上的不同，考虑持久耐用性等关键控制问题，较后介绍真正的自适应Auto-control^TM技术，它采用数字处理来改善控制。

数字电源控制概述

图1所示为一个典型数字DC-DC转换器，包括功率级、输出电压V_OUT（y）采样ADC、数字误差放大器/补偿器，以及数字脉宽调制（PWM）。

图1. 典型数字DC-DC转换器

在模拟和数字DC-DC转换器之间有几种不同，一些较重要的是：

a）正如所见，输出电压（y）由控制环路对电压进行了量子化。这意味着输出电压对分辨率和ADC精度是已知的。

b）及时采样输出电压，因此仅在采样瞬间是已知的。

c）及时对数字脉宽调制（DPWM）进行量子化，因此离散量子化脉宽可供使用。DPWM的量化级和ADC量化级之间的交互可能导致极限循环，通过它DPWM的脉宽从不落入稳态。这将导致V_OUT的极限环，其振幅取决于几个因素，而且是DPWM的分辨率的函数。

d） ADC需要一些时间将V_OUT读数转换成一个数值，增加环路的延迟。

e）补偿电路增加了环路延迟，因为它需要一些时间来计算以下每个ADC阅读的占空比。

数字PWM控制环路中固有的延迟在可行控制带宽上施加一些时间（bound），进而会影响控制响应，从而背离负载电流阶跃的瞬态响应。当控制环路出现一个大约是下式结果的Td延迟时，即可实现较大控制带宽：

直觉上这是有道理的；在ADC测量它及控制器已经计算了一次响应之前，控制环路不能对干扰做出反应。在此期间，输出电压将在其轨道上持续下去，为负载瞬变和等效带来较小的可行电压偏离，一个较大可行控制带宽。

这意味着在典型数字DC-DC转换器中，其ADC采样速率与开关频率相同，而且有一个从ADC采样到DPWM的单周期延迟，更新较大可行控制带宽，即：

实际上PWM调制中固有的延迟也必须考虑，以进一步减少较大可行带宽。

显然传输延迟是数字DC-DC转换器优点的一个重要因素。Powervation的技术使它低至400ns。

控制角色

图2是对控制器中描述，其中的C和G分别代表补偿器和对象（plant）。控制角色是确保输出（y）、跟踪参考（r）、存在a）未知的扰乱状态，b）功率级参数（或结构）的不确定性。反馈控制有利于通过高环路增益实现这一点。

不过，增益必须在实际的可行系统上以高频滚降。如图3所示，以CG表示的环路增益。由于滚降，我们可以看到在环路稳定性和持久耐用性之间有些相互矛盾的要求。例如，为了确保环路对高度对象不确定性不敏感，需要高达高带宽的高环路增益。不过，环路增益必须以高频滚降，以确保环路稳定性及较低带宽系统更加稳定。因此，在相对于功率级不确定性的环路稳定性和持久耐用性之间有一个基本的平衡。在实践中，控制环路是采用较低带宽设计的，这样不论对象不确定性性如何，它们都是稳定的。持久耐用性是通过保证高相位裕量实现的。

图2. 一种反馈控制系统

图3. 由于环路增益（CG）滚降与频率的关系，灵敏度和持久耐用性相互矛盾的要求

持久耐用性

当考虑物理系统的持久耐用性时，环路相位裕量、增益裕量和分频频率通常是保守的设计。当环路增益滚降和跨0dB时，这种情况的发生是由于控制环路对功率级的动态模拟的误差特别敏感。

我们可以把相位裕量看作持久耐用性的一个测量值，可以防止0dB分频频率的延迟不确定性，即高相位裕量系统能够容许环路延迟更多的不确定性，而不会不稳定。一个环路的额外延迟总量能够容许（Tmax），某一给定相位裕量（PM，以弧度表示）和分频频率（ωc，以rad/s表示）可以表示为：

因此，有较高相位裕量或较低分频频率的环路更加可靠，可防止环路延迟的不确定性。同样，我们可以把增益裕量看作持久耐用性的一个测量值，防止分频频率的增益不确定性，即高增益裕量系统能够容许分频频率的更多增益不确定性，而不会不稳定的。

自适应控制

图4是一个典型自适应控制系统，通过它可以用“对象参数评估”块和控制器评估对象参数，适用于“控制器设计”块的飞速写入，满足一些预先设定的要求，如闭环极点分布。

图4. 典型自适应自校正

稳压器

自适应控制的一个主要优点在于可以通过参数评估减少对象不确定性。因为控制系统中的不确定性减少，它变得更加可靠，释放了对实现持久耐用性的控制性能的限制。同样，该环路将有助于保持高增益，高带宽的稳定性。

传统上，增益和相位裕量可用来实现性能和稳定性之间的一种妥协。利用自适应控制不需要高增益裕量和高相位裕量来确保环路稳定性。因此，可以实现更高的性能控制。

Powervation开发出了Auto-control^TM技术，为DC-DC转换首次带来了真正的自适应控制。Auto-control的优点包括改善稳定性、较高的性能和易于设计，都是利用这项技术实现的。

图5显示了较之固定控制器改善了的稳定性，它可以用Auto-control^TM自动实现。

（a）

（b）

图5. （a）一个DC-DC转换器中因L和C变化出现的变负载阶跃响应；（b）当用Powervation的Auto-control^TM技术控制时，改善了变量的稳定性。

总结

随着电源转换向着更小和更有效的电源架构转变的业界趋势，在有限的空间和效率制条件下智能管理多个电压轨的要求，正在推动行业向着采用数字电源控制及功率管理解决方案的方向发展。开发电源控制技术有巨大的潜力，它利用独特的数字技术来改善电源系统设计。使用传统的控制技术，增益和相位裕量可以实现性能和稳定性之间的一种妥协。利用Auto-control^TM，不需要高增益裕量和高相位裕量，就可以确保环路稳定性。因此，由于设计人员可以从环路补偿的负担中解脱，可以实现更高的性能控制，使用也非常简便。

数字电源可减轻设计者的负担

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