數(shù)字控制挑戰(zhàn)傳統(tǒng)電源設(shè)計理念

    電源設(shè)計之初所要求的基本決定之一是：采用電壓模式控制(VMC)還是采用電流模式控制(CMC)。對任何設(shè)計而言，交易存在于兩個執(zhí)行方法之間。然而，由于數(shù)字控制方法的引入，這些已被嘗試并值得信賴的交易正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文將研究這條繪制的主線，以及數(shù)字控制是如何在是否采用VMC還是采用CMC的交鋒中成為一種不可阻擋的再認(rèn)知的。

方法

    大量詳實的材料充分的描述了電流模式控制和電壓模式控制，因此本文只作一下簡單的回顧。VMC由單個控制環(huán)路組成，該環(huán)路采用輸出電壓作為反饋信號。輸出電壓改變之后環(huán)路重新動作產(chǎn)生一個瞬時響應(yīng)去替換。由于我們的目標(biāo)是要維持一個恒定輸出電壓，因此緩慢響應(yīng)是一個明顯的缺陷。CMC添加了一個外部反饋環(huán)路。除電壓控制環(huán)路外，它還對電流流向敏感以及對峰值電流到達(dá)時電源開關(guān)的關(guān)斷動作敏感。電流信號作為主要的控制環(huán)路。也許有人會認(rèn)為VMC和CMC比較會有更緩慢的響應(yīng)，但這種觀點是不正確的，因為環(huán)路響應(yīng)最終是由系統(tǒng)帶寬決定的。兩種方法都可以設(shè)計出相同的環(huán)路帶寬，因此VMC并不一定必然比CMC慢。

克服VMC問題

    由此，讓我們研究一下傳統(tǒng)觀念，即為何VMC或CMC會成為首選方案。在推挽或全橋式電路拓?fù)渲校�流向開關(guān)電路兩個管腳的電流也許并不總是相等。這將會導(dǎo)致FET失衡或定時錯誤。其網(wǎng)絡(luò)影響是會在變壓器上產(chǎn)生直流建立，這將會迅速的導(dǎo)致變壓器核飽和。傳統(tǒng)的方法是采用一個電容和主變壓器串聯(lián)起來。

    該直流阻塞電容可耦合交流信號，這樣可以阻止變壓器核的飽和。這樣做的缺點是要和主電源路徑串聯(lián)，因此它必定是一個可靠器件。要求可供1kW電源使用、10uF等級的阻塞電容的額定值必定要超過全電壓波動。而且，變壓器通常都要采用冗余設(shè)計來抑制飽和。由于CMC的控制環(huán)路在超過兩個管腳相同電流極限時關(guān)斷了電源開關(guān)，因此CMC并不會因此表象受損。這意味著變壓器中沒有直流電流建立。

    圖1描述了數(shù)字控制是如何解決這個問題的。控制器測量每個半橋電路的電流并計算其差值。差值信號驅(qū)動主PWM信號對失衡進(jìn)行補償。從概念上來說，此方法和CMC是相似的，這可以視為平均CMC而不是峰值CMC。

圖1：帶有集成電壓次級平衡電路的數(shù)字控制器

環(huán)路穩(wěn)定性和濾波

    由于CMC環(huán)路近似為單極性滾輪(每十年-20°dB)的控制輸出傳遞功能，所以通常認(rèn)為穩(wěn)定CMC環(huán)路要比穩(wěn)定VMC環(huán)路要容易。VMC環(huán)路近似為雙極性滾輪(每十年-40°dB)的傳遞控制，這樣使得補償網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。在另外一個領(lǐng)域里，數(shù)字控制在這場交鋒中呈現(xiàn)出了一個全新面貌。用戶友好型的圖形用戶接口(GUI)的出現(xiàn)意味著環(huán)路補償已成為了簡單任務(wù)。設(shè)計者輸入所需的濾波器響應(yīng)，GUI就會計算濾波器實現(xiàn)響應(yīng)所需的系數(shù)。不僅一個良好設(shè)計的GUI去掉了外部復(fù)雜性，而且也前進(jìn)了一大步，因為它使得整個補償程序比以前簡單了很多。

圖2：濾波器補償圖形用戶接口

    VMC對環(huán)路穩(wěn)定性的要求更為復(fù)雜。對不連續(xù)控制模式(DCM)和連續(xù)控制模式(CCM)而言，他們之間的傳遞功能是不同的。DCM和CCM兩者所要求的復(fù)雜補償使得它難于穩(wěn)定系統(tǒng)。CCM和DCM模式中，CMC電路具有相似的傳遞功能，這將使得CMC較VMC電路更易于補償。數(shù)字控制的靈活性對此提供了一套完美的解決方案。可編程數(shù)字控制器可調(diào)節(jié)其濾波器響應(yīng)，且可判決什么時候是DCM或CCM模式，并由此確定采用一個合適的濾波器。由于模擬控制器需要不同的濾波器，因此對模擬控制領(lǐng)域而言這是一個不實際的選擇。

    從環(huán)路穩(wěn)定性角度來說，CMC可抑制輸入電壓波動。這是為何電源設(shè)計者認(rèn)識到CMC較VMC是更優(yōu)選方法的另一原因。但是，可補償輸入電壓波動的數(shù)字控制器可相應(yīng)的補償數(shù)字濾波器。而且，對許多系統(tǒng)如開關(guān)模式電源(SMPS)來說，輸入電壓是通過電源因子糾正來穩(wěn)壓的。這意味著控制器可當(dāng)作一個恒定輸入電壓。通常認(rèn)為VMC較CMC具有更低的帶寬。該點的理由是額外因素嵌入到了濾波器設(shè)計確保了穩(wěn)定性。

過電流保護(hù)

    由于當(dāng)峰值電流到達(dá)時CMC關(guān)斷了電源FET，所以CMC具有固有的峰值過流保護(hù)(OCP)功能。VMC僅僅為其控制環(huán)路采用了輸出電壓，因此需要專用電路執(zhí)行OCP功能。但是，上述的變壓器平衡電路采用了平均電流模式控制。所以，如果數(shù)字控制器使用了一個簡單的模擬比較器來實現(xiàn)峰值OCP功能，則它將和CMC一樣具有相同級別的保護(hù)功能。

圖3：專用快速OCP比較器

結(jié)論

    數(shù)字控制的出現(xiàn)使得電源設(shè)計正不可阻擋的挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)方法而重新認(rèn)知。電壓模式控制的許多不利因素現(xiàn)在均可通過使用智能數(shù)字解決方案得到有效克服。該因素可成為將數(shù)字控制帶入到電流設(shè)計主流的頂峰。

關(guān)于作者

Brendan Daly是Analog Devices公司的高級應(yīng)用工程師。他在加拿大的San Jose從事SMPS的數(shù)字控制器研究工作。他1998年畢業(yè)于英國Cork的UCC大學(xué)。■