試論數字化控制開關電源技術

張雅麗

開關電源是利用現代電力技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術的高速發展，開關電源得到了廣泛應用。所謂電源的數字控制，是指控制器能在數字域執行所有系統控制算法。

開關電源的數字控制主要有以下兩種方法：第一種是通過高性能數字芯片如DSP對電源實現直接控制，數字芯片完成信號采樣AD轉換和PWM輸出等工作。由于輸出的數字PWM信號功率不足以驅動開關管，需通過一個驅動芯片進行開關管的驅動。第二種是單片機通過外接A／D轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數據進行運算和調節，再把結果通過D／A轉換后傳到PWM芯片中，實現單片機對開關電源的開關電源間接控制。控制電路由于要用多個芯片，電路比較復雜；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。

一、基于數字信號處理的開關電源

利用高性能的DSP數字芯片對電源直接控制，簡化了控制電路的設計。這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現各種復雜的控制算法，對電源的控制有較高的動態性能和穩壓精度。因此，這種方法將會在今后開關電源的數字控制技術中發揮重要作用。

二、基于單片機控制的開關電源

隨著電子技術的迅猛發展和超大規模集成電路設計的進一步提高，單片機技術得到了迅速發展。利用單片機作為控制核心，設計方案容易掌握，而且單片機的要求不高，成本較低。通過外接A／D轉換芯片進行采樣，采樣后對得到的數據進行運算和調節，再把結果通過D／A轉換后傳到PWM芯片中，實現單片機對開關電源的間接控制。

數字控制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轉換時間過長必然造成額外的相位延遲時間。除了和模擬控制存在的相位延遲以后，轉換過程的延遲時間必然也會造成額外相位滯后，使回路的響應能力變差。模擬芯片用RC補償進行PI調節的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節的方法以提高控制回路的響應能力。這種做法需要占有數字芯片較大的系統資源，因為數字控制和模擬控制不同，信號采樣是離散的，兩次采樣之間有一段間隔時間，這段時間的值是無法得到的。要實現精確的控制，每次采樣之間的時間間隔不能太長，即采樣頻率不能太低。作為數字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會被送到系統的中央運算處理器中，然后由處理器對采樣的值進行運算和調節。在采樣頻率比較高的時候，這種做法比較耗費系統資源，對數字芯片的要求也比較高。由于目前專門用于電源控制的數字芯片還比較少，在要求比較高的場合一般都會用DSP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制芯片，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高。

隨著數字芯片和電源技術的發展，出現了為電源控制而開發出來的控制處理器。它不同于數字芯片的中央處理器，控制處理器主要由高速AD轉換器，數字PID補償器和數字PWM輸出三部分組成。反饋環路的控制由它來完成，中央處理器作為管理模塊應用在電源上。

控制處理器由高速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制處理器的相關程序。高速A／D轉換器是基于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系，即VDD越大，信號傳輸延遲時間越小。

采用新的技術，大大降低了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，實現和模擬控制，通過不斷更新PWM信號來進行穩壓。DPWM時鐘由處理器系統時鐘通過鎖相邏輯環路（PLL）進行倍頻后，頻率可以達到200MHz。通過這種分辨率高達5ns的DPWM控制信號，電源開關頻率可以達到1MHz。數字補償器為電源設計提供很大的靈活性，控制參數通過外部存儲器的程序來設定，可以通過編程來改變控制策略，調試更方便。由于芯片是專門為電源設計開關，簡化了結構，降低了成本。這種專門為電源設計開發的控制處理器將會得到廣泛使用。

（作者單位：山東省濟寧技術學院）