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作者：Irvin Ou 最近，超大規模集成(VLSI)技術(shù)的發(fā)展擴寬了數字控制應用范圍，尤其是在電源電子元件方面的應用。 數字控制IC具有多種優(yōu)勢，比如裸片尺寸更小、無(wú)源元件數量更少、成本更低。 另外，數字控制可利用電源管理總線(xiàn)(PMBus™)來(lái)完成系統配置；高級控制算法能改善性能；可編程性則可實(shí)現應用優(yōu)化。 隨著(zhù) 數字電源管理 的進(jìn)一步普及并代替大量模擬控制器，它必須保持現有功能的向后兼容性，從而使數字電源模塊和模擬電源模塊均可在同一個(gè)系統中工作。 模擬電源模塊中一般使用輸出電壓調整，這樣最終用戶(hù)可以通過(guò)外部電阻更改電源模塊的輸出電壓。 它具有增強的靈活性，允許將某些經(jīng)過(guò)選擇的標準模塊用到幾乎所有應用中，而無(wú)論電壓要求如何。 圖1顯示AGF600-48S30 模擬電源模塊中調整輸出電壓的典型配置。 輸出電壓可通過(guò)改變連接電源模塊正輸出端或接地端的電阻來(lái)進(jìn)行調節通過(guò)連接外部電阻 RUP 并使 RDOWN浮空，可以向上調整輸出電壓（高于標稱(chēng)輸出電壓），或者通過(guò)連接外部電阻RDOWN 并使 RUP 短路（電阻值為零）向下調整（低于標稱(chēng)輸出電壓）。 
圖1. 調整AGF600-48S30 DC-DC轉換器的輸出電壓 在模擬解決方案中，RUP 和 RDOWN 可改變誤差放大器的基準電壓。 誤差放大器利用電阻分壓器感測輸出電壓，分壓器通過(guò)負反饋連接誤差放大器的反相輸入端。 誤差放大器的輸出電壓控制驅動(dòng)信號的占空比，進(jìn)而設置輸出電壓。 因此，輸出電壓隨基準電壓的變化而改變，而 RUP 或 RDOWN可以改變基準電壓，進(jìn)而向上或向下調整輸出電壓。 圖2顯示兩種廣泛用于模擬電源模塊中的調壓方式。 圖2(a)中的模擬控制器引腳允許外部電阻 RDOWN 降低誤差放大器同相輸入端的電壓，從而降低輸出電壓。 外部電阻 RUP 與電阻分壓器串聯(lián)連接，可降低施加在誤差放大器反相輸入端的電壓，從而增加輸出電壓。 圖2(b)中的模擬控制器不提供針對內部基準電壓的訪(fǎng)問(wèn)，但可以加入一個(gè)外部誤差放大器和基準電壓源，以便對輸出電壓進(jìn)行調整。 外部放大器輸出端與內部放大器輸出端相連，有效地旁路了內部誤差放大器。 然后，基準電壓可采用之前的相同電路進(jìn)行配置，從而以同樣的方式對兩個(gè)電源模塊進(jìn)行調整。
圖2. 利用(a)帶有可配置內部基準電壓的模擬控制器， 或者(b)帶有固定內部基準電壓的模擬控制器調整模擬電源模塊的輸出電壓 對于數字控制器來(lái)說(shuō)所有的控制功能均由數字邏輯實(shí)現。 圖3所示為集成PMBus接口的高級數字控制器 ADP1051 的功能框圖。 該器件非常適合高密度DC-DC電源轉換，具有6個(gè)可編程脈沖寬度調制(PWM)輸出，可控制大部分高效電源拓撲。 另外，該器件還能控制同步整流(SR)，并集成6個(gè)模數轉換器(ADC)，能夠采樣模擬輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、溫度以及其它參數。 轉換為數據后，將這些信號發(fā)送至數字內核模塊進(jìn)行處理。 該器件采用靈活的狀態(tài)機架構，以硬件實(shí)現全部功能，提供穩定可靠的解決方案，但無(wú)法通過(guò)編程實(shí)現設計以外的功能。 器件的全部功能——包括輸出電壓調整——均以數字方式處理。 為了調整輸出電壓，應通過(guò)PMBus接口發(fā)送一條命令，改變數字基準電壓值。
圖3. 數字控制器ADP1051功能框圖 考慮整個(gè)控制環(huán)路，輸出電壓通過(guò)電壓分壓器或者運算放大器縮放到合適的值，然后輸入給VS+引腳。ADC對該電壓進(jìn)行采樣。 數字內核知道數字化的輸出電壓值只采用邏輯電平信號工作，因此無(wú)法使用外部基準電壓并旁路內部比較器和濾波器。 受限于這種固定的硬件配置，向后兼容現有模擬調整功能的唯一途徑是調節VS+引腳上的ADC檢測電壓。 一種方法是重新配置反饋網(wǎng)絡(luò )。 圖4中，RD1和 RD2 構成標準反饋網(wǎng)絡(luò )——一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器，可在A(yíng)DC檢測輸出電壓之前對其進(jìn)行調節。 檢測電壓為：
其中， VO 是電源模塊的實(shí)際輸出電壓。 采用標準反饋網(wǎng)絡(luò )，則輸出電壓無(wú)法以模擬方式調整。 如圖4所示，通過(guò)加入RUP, RT0和 VTRIM的方式重新配置反饋網(wǎng)絡(luò )可對比例輸出電壓進(jìn)行調節。 于是，檢測電壓為：
VS+引腳上的正常工作電壓為1 V。若 VTRIM 為1 V左右且RT0 遠大于RD2， 則可忽略電路的其余分支部分。 復合網(wǎng)絡(luò )用作簡(jiǎn)單分壓器，并調節 RUP 電阻值，提供類(lèi)似于模擬控制器的特性，實(shí)現了模擬電源模塊中的電壓向上調整。
圖4. ADP1051可調整反饋網(wǎng)絡(luò ) 然而，提供向下調整能力則要更為復雜。 數字控制器不知道系統應當輸出的確切電壓值，因此它會(huì )嘗試最大程度降低 VVS+ 和內部數字基準電壓之間的誤差。 VVS+ 將始終隨內部數字基準電壓的變化而改變，其典型值設為1 V。等式2顯示 VO 與 VTRIM 呈線(xiàn)性關(guān)系。 由圖2可知，向下調整輸出電壓的機制是產(chǎn)生一個(gè)表示所需輸出電壓與標稱(chēng)輸出電壓之差的誤差電壓。內部的基準電壓將先會(huì )減去這個(gè)誤差電壓，然后才會(huì )加到誤差放大器的同相端。 若在誤差放大器的反相輸入端加入相同的電壓差，則兩個(gè)電路都將具有相同的輸出結果。 因此， VTRIM 應當與所需的輸出電壓和標稱(chēng)電壓之差成比例，而非采用固定值。 圖5中的電路具有兼容模擬向上或者向下調壓的功能兩個(gè)電阻分壓器產(chǎn)生兩個(gè)基準電壓，其中一個(gè)基準電壓表示模擬控制器所需的輸出基準電壓，另一個(gè)表示內部基準電壓。 利用一個(gè)電壓跟隨器來(lái)避免所需的輸出基準電壓與后續電路相互影響。 利用AD822 FET輸入運算放大器，將所需的輸出基準電壓(V1)從模擬控制器的內部基準電壓(V2)中去除，得到所需的電壓差。此電路的線(xiàn)性放大增益確保了VTRIM 足夠大，從而能對 VVS+ 產(chǎn)生影響。
圖5. 重新配置反饋網(wǎng)絡(luò )，方便進(jìn)行模擬輸出調整 目標輸出電壓調整特性的定義參見(jiàn)AGF600-48S30數據手冊。表1顯示了一組應用于新配置反饋網(wǎng)絡(luò )中的參數，采用此組參數，可以使其兼容模擬電源模塊電壓調整特性 表1. 圖5所示電路的電阻值
采用等式2和表1中的數值，便可計算輸出電壓調整特性。 圖6顯示結果曲線(xiàn)。 目標值和計算值之間的誤差由重新配置的反饋網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生。 該誤差極�。朔Q(chēng)輸出電壓為30 V時(shí)，該誤差值不足0.1 V），這表示該電路的輸出結果良好。
圖6. 使用重新配置的反饋網(wǎng)絡(luò )后，調整ADP1051輸出電壓的計算結果： (a)向下調整 (b)向上調整 通過(guò)計算可以驗證這種重新配置反饋網(wǎng)絡(luò )以調整輸出電壓的方法，并為其它使用數字基準電壓的數字電源控制器——比如 ADM1041A, ADP1046A, ADP1050, 和 ADP1053等——向后兼容模擬控制器提供思路，增強了數字電源解決方案的靈活性。 參考文獻 ADIsimPower® 設計工具 視頻： ADuM3190 (隔離式誤差放大器)和 ADP1051 (數字控制器) 作者簡(jiǎn)介 Irvin Ou [irvin.ou@analog.com]是中國深圳的一名應用工程師。 他獲得華南理工大學(xué)電力電子碩士學(xué)位后，于2010年加入ADI公司。 Irvin負責數字電源控制產(chǎn)品。 |
