傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源(Switch Mode Power Supply,SMPS)控制通常使用純模擬技術(shù)。低成本和高性能數(shù)字信號(hào)控制器(Digital Signal Controller, DSC)的出現(xiàn)開(kāi)啟了開(kāi)關(guān)電源控制的全新境界,并且標(biāo)志著電源產(chǎn)業(yè)正朝著數(shù)字革命的方向發(fā)展。
本白皮書(shū)強(qiáng)調(diào),當(dāng)前是電源應(yīng)用采用數(shù)字技術(shù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源的最佳時(shí)機(jī)。Microchip 提供的AC-DC 參考設(shè)計(jì)就是展示數(shù)字控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的極佳實(shí)例。
本白皮書(shū)通過(guò)在以下幾個(gè)方面將數(shù)字電源與模擬電源進(jìn)行定量比較以指出數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)所在:
●比較模擬電源與數(shù)字電源的物料成本
●控制先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力和數(shù)字控制的靈活性
●在同樣成本條件下,數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)的附加價(jià)值數(shù)字電源節(jié)省成本。
圖1 為兩級(jí)模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。
圖 1: 兩級(jí)模擬AC-DC 電源
圖2 顯示了數(shù)字AC-DC 電源的高階框圖。
圖 2: 數(shù)字AC-DC 電源
模擬電源的主要組成包括:
●功率鏈:半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、電感、電容和功率變壓器
●驅(qū)動(dòng)電路:柵極驅(qū)動(dòng)以及支持電路
●反饋電路:傳感器、放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)
●控制器:每個(gè)功率級(jí)專(zhuān)用控制器
●后臺(tái)管理電路:用于順序控制、監(jiān)控和通信的專(zhuān)用單片機(jī)以及支持電路
為便于比較,考慮選擇一個(gè)兩級(jí)式電源。前端轉(zhuǎn)換器采用升壓功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)電路,而第二級(jí)是DC-DC 相移式全橋轉(zhuǎn)換器。
模擬電源與數(shù)字電源的功率鏈部分、驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路保持一致。圖2 分別展示了上述例子中所描述的數(shù)字電源。對(duì)于數(shù)字控制電源,專(zhuān)用模擬控制器和后臺(tái)管理電路可合并采用一片dsPIC?DSC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖1和圖2僅從較高層次展示了兩者的主要差別;然而,在進(jìn)行對(duì)比時(shí)所有支持電路也需包括在內(nèi)。圖3 所示為每個(gè)模擬級(jí)中的支持電路,而圖4 則為數(shù)字系統(tǒng)中的支持電路。注意模擬控制器所需要的額外連接(在圖3 和圖4 中用箭頭標(biāo)出)。
圖 3: 模擬級(jí)電路
圖 4: 數(shù)字級(jí)電路
除了主要的組件,還需將支持電路成本、布線(xiàn)復(fù)雜程度、以及模擬數(shù)字電源PCB 板尺寸這些因素考慮在內(nèi)。
表1 將300W 模擬電源與數(shù)字電源的物料清單進(jìn)行了比較,著重說(shuō)明了前面所述的差別。比較中所用到的價(jià)位是直接從廠家的網(wǎng)站上獲得的。
表 1: 300W 模擬與數(shù)字電源物料價(jià)格比較
表1 中所列出的物料清單比較清楚地說(shuō)明了數(shù)字電源與模擬電源方案相比所節(jié)約的成本。
有些人可能會(huì)認(rèn)為數(shù)字電源需要使用專(zhuān)用的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,而模擬解決方案則可提供片上柵極驅(qū)動(dòng)器。不過(guò),這一點(diǎn)僅適用于低功率模擬設(shè)計(jì),對(duì)于大多數(shù)高功率模擬設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),仍然需要使用外部柵極驅(qū)動(dòng)器。
無(wú)論在PFC 級(jí)中使用或者未使用外部MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器,表1 中列出了不同模擬電源的所有BOM 成本。
顯而易見(jiàn),數(shù)字電源在總BOM成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
數(shù)字電源還有許多其他潛在的低成本優(yōu)勢(shì)。例如,采用數(shù)字化控制方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是減少元件數(shù)量。這可以使布線(xiàn)更簡(jiǎn)單,PCB 板的尺寸更小,進(jìn)而減少了PCB板的加工和組裝成本,同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。
這些額外的成本節(jié)省更強(qiáng)調(diào)了選擇電源數(shù)字化控制方案的好處。
高級(jí)特性
效率優(yōu)化
對(duì)于任何電源設(shè)計(jì)人員,兩個(gè)最重要的考量方面就是總成本和系統(tǒng)性能。與模擬電源相比,數(shù)字電源的成本優(yōu)勢(shì)在之前的章節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行了分析,我們現(xiàn)在將針對(duì)數(shù)字電源具有更高效率這一優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行探討。
任何電源設(shè)計(jì)都是按照其可能的最大效率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái),隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn),電源效率達(dá)到了更高的水平。之前已經(jīng)提到,在某些運(yùn)行條件下(半載或者較高的線(xiàn)電壓情況時(shí)),效率的確或多或少實(shí)現(xiàn)了最大化。
數(shù)字電源增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性,可對(duì)多個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的效率進(jìn)行優(yōu)化。
對(duì)于PFC升壓轉(zhuǎn)換器,輕載時(shí)可通過(guò)降低轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗。由于是輕載,磁場(chǎng)仍可以應(yīng)對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率。如果實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)交錯(cuò)式PFC 轉(zhuǎn)換器,輕載時(shí)可以通過(guò)關(guān)斷其中一相來(lái)進(jìn)一步減小功耗。
類(lèi)似地,對(duì)于一個(gè)相移式全橋變換器,可以在輕載時(shí)關(guān)斷同步MOSFET,而使用內(nèi)部集成續(xù)流二極管,這樣可消除額外的開(kāi)關(guān)損耗。
另一個(gè)實(shí)例是降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。對(duì)于高電流輸出的場(chǎng)合,同步降壓轉(zhuǎn)換器通常是首選。但是,使用同步MOSFET會(huì)在輕載時(shí)引起環(huán)流,這反過(guò)來(lái)會(huì)引起更高的損耗。因此,當(dāng)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在不連續(xù)電流模式時(shí),降壓轉(zhuǎn)換器的同步/ 續(xù)流MOSFET 就會(huì)被禁止。
上述介紹的技術(shù)可通過(guò)選擇先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如諧振和準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器)來(lái)提高效率。數(shù)字控制完全支持這些先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括相移全橋和LLC 諧振轉(zhuǎn)換器,從而獲得高效率和高功率密度??傊?,數(shù)字控制提供很多選擇,可在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)電源效率進(jìn)行優(yōu)化。
電源管理
在電源管理領(lǐng)域中,與模擬電源相比,數(shù)字電源提供了前所未有的優(yōu)勢(shì)。在一個(gè)典型模擬電源中,通常使用圖5 中所述的后臺(tái)單片機(jī)來(lái)完成其電源管理。
圖 5: 不同電源類(lèi)型在電源管理方面的差異
這個(gè)后臺(tái)單片機(jī)將本地系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送到主控制器或者數(shù)據(jù)記錄器中。但這個(gè)單片機(jī)如何獲取數(shù)據(jù)呢?必須用檢測(cè)電路收集所需數(shù)據(jù),并將其進(jìn)行發(fā)送。在某些情況下,遠(yuǎn)程系統(tǒng)也可能對(duì)本地電源轉(zhuǎn)換器發(fā)出指令。這個(gè)配置要求增加后臺(tái)單片機(jī)和功率轉(zhuǎn)換電路之間的硬件接口,從而增加了系統(tǒng)的成本。
相反地,數(shù)字電源不需要額外電路,因?yàn)樗邢到y(tǒng)參數(shù)已經(jīng)由DSC 測(cè)量出來(lái)。這些參數(shù)存儲(chǔ)在DSC 的存儲(chǔ)器中,并且通過(guò)片上通信外設(shè)發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng),例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對(duì)該系統(tǒng)操作的修改都無(wú)需額外的外部硬件而可由簡(jiǎn)單的軟件來(lái)完成。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
數(shù)字電源消除了冗余電路從而減少了系統(tǒng)總成本。例如,對(duì)于一個(gè)兩級(jí)AC-DC 電源,第一級(jí)將對(duì)其閉環(huán)控制運(yùn)行的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量。由于這一輸出電壓也是第二級(jí)的輸入,因此該數(shù)據(jù)也被第二級(jí)用作前饋控制或者輸入過(guò)壓/ 欠壓保護(hù)。
單獨(dú)一個(gè)DSC消除了相同參數(shù)的重復(fù)測(cè)量,并可從內(nèi)部提供不同控制或保護(hù)特性的所有選項(xiàng)。DSC也有助于系統(tǒng)對(duì)故障狀態(tài)作出比分立模擬控制器更快速、更高效的反應(yīng)。例如,在一個(gè)兩級(jí)AC-DC 模擬電源中,如果故障出現(xiàn)在下級(jí)轉(zhuǎn)換器中,除非這個(gè)故障狀況已經(jīng)被傳送給PFC 控制器,否則前端PFC 升壓轉(zhuǎn)換器將無(wú)法識(shí)別這個(gè)故障。而數(shù)字控制器能檢測(cè)到整個(gè)系統(tǒng)的故障狀態(tài),無(wú)論故障發(fā)生在何處,幾乎都能在瞬間作出反應(yīng)。
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