數字電源管理和控制提供實(shí)時(shí)智能，便于系統開(kāi)發(fā)人員構建電源系統自動(dòng)適應運行環(huán)境的變化，并優(yōu)化每種特定應用場(chǎng)合的效率。智能數字電源IC可以自動(dòng)補償負載和系統溫度的變化，利用自適應死區時(shí)間控制、動(dòng)態(tài)電壓調節、頻移、相數降低和電流不連續模式的切換來(lái)實(shí)現節能。

數字電源給人造成費用高的感覺(jué)一直是其被快速接受的一個(gè)障礙，不過(guò)，最新推出的器件正在迅速消除模擬與數字控制之間的價(jià)格差異，例如Intersil的ZL8800。數字電源效率和成本現在相當于，甚至優(yōu)于模擬電源轉換解決方案，同時(shí)具有更先進(jìn)的功能。

最重要的是，脈寬調制(PWM)、環(huán)路控制和反饋采用數字化方式。模擬信號采用模數轉換器(ADC)轉換為數字信號，信號經(jīng)過(guò)數字轉換之后，微控制器、數字信號處理器或計算狀態(tài)機可以控制數字脈寬調制和反饋回路。這對于維持穩定性具有重要優(yōu)勢，不存在模擬控制經(jīng)常出現的響應速度下降問(wèn)題。

雖然數字控制具有很多優(yōu)點(diǎn)，但大量廠(chǎng)商并沒(méi)有充分利用這種技術(shù)所具有的優(yōu)勢，許多情況下，只是核心模擬PWM技術(shù)采用數字形式。數字控制得以構建更加靈活的控制環(huán)路，利用多頻控制調整每種算法，處理不同速度條件下發(fā)生的事件。

傳統數字PWM控制器使用均勻采樣?？刂破鞑杉敵鲭妷赫`差樣本，根據采樣結果計算下一開(kāi)關(guān)周期所需的占空比。均勻采樣控制器的不足之處是，從誤差采樣到PWM控制器切換電源電路存在時(shí)延或群延。群延造成相位滯后，這種滯后隨頻率增加，并限制最大閉環(huán)帶寬。

多頻控制可以提供穩定電源，而且幾乎可以立即對電壓的突然變化做出反應，即在一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期內做出相應響應。這種轉換架構實(shí)現這一能力的唯一方法是利用變頻開(kāi)關(guān)技術(shù)，在電壓迅速變化時(shí)采用更高的頻率采樣和控制。但這種方法對許多系統并不適用?，F代電信設備以及其他嚴格要求電磁兼容性的應用需要在固定頻率下工作，以保持嚴格控制的噪聲頻譜。

另一種方法是采用與誤差電壓偏差呈線(xiàn)性關(guān)系的比例增益。采用比例增益的固定頻率控制可以實(shí)現單周期反應，但快速響應環(huán)路增益會(huì )導致不穩。

Intersil開(kāi)發(fā)的、用于ZL8800雙通道/雙相DC/DC控制器的電荷模式(ChargeMode)技術(shù)采用均勻和多頻采樣混合方法，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內對誤差進(jìn)行多次采樣并計算調制信號。這種技術(shù)大大降低了群延，因此支持非常高的工作帶寬。由于縮短了群延，顯著(zhù)降低了相位滯后。ZL8800還采用雙沿調制器，在總群延方面優(yōu)于與其競爭的‘前沿’調制器。

圖1顯示ZL8800雙采樣技術(shù)。采用其中任一采樣率時(shí)，總延遲(tdelay)等于A(yíng)DC轉換延遲和計算延遲之和(包括通道/濾波延遲)。如圖1所示，采用更高頻率NxFsw時(shí)鐘時(shí)，ZL8800的tdelay明顯低于傳統均勻采樣PWM調制器。

結合高頻采樣誤差信號，ChargeMode控制器以新穎的策略消除只采用高環(huán)路增益而產(chǎn)生的不穩定。這種策略將變化的影響定位在一個(gè)或幾個(gè)工作周期。如果占空比變化的影響延伸到下幾個(gè)周期，就會(huì )產(chǎn)生不穩定。數字控制可保證在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中實(shí)現占空比的變化來(lái)調整突然發(fā)生的電壓偏離，而不影響下一個(gè)或下幾個(gè)周期。這種技術(shù)稱(chēng)為“單周期響應”(ASCR)數字補償。

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補償器框圖如圖2所示，其結構在許多方面類(lèi)似常規PWM控制策略中使用的傳統數字比例-積分-微分 (PID)控制器，但具有明顯差別。圖中顯示補償器如何集成多頻采樣技術(shù)。補償器有兩個(gè)并行通道，用來(lái)處理量化的誤差電壓。其中一個(gè)稱(chēng)為“快速通道”，以高于“慢速通道”的頻率采樣誤差電壓。采用這種新型補償器結構，占空比命令被反饋，以確定快速通道的影響，并在后面的周期中消除快速通道的影響。


ZL8800補償器結構減小即時(shí)誤差采樣以及占空比響應的延遲。這樣可以提升高頻段的相位，從而保證穩定性并支持高帶寬設計，如圖3所示。

采用多頻采樣和控制電路，ASCR補償器可以實(shí)現穩定的控制環(huán)路，只需根據帶寬規格進(jìn)行調整。在很寬范圍輸出濾波器配置范圍內，僅需調整ASCR增益即可達到所需閉環(huán)工作帶寬。為提高性能，用戶(hù)可以控制第二個(gè)參數：余量。這是一個(gè)衰減系數，主要用于設置環(huán)路的響應速率。

傳統多頻采樣技術(shù)的潛在缺點(diǎn)是，反饋環(huán)路中會(huì )因誤差過(guò)采樣產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率諧波。ZL8800在快速通道中采用低延遲紋波濾波器解決這一問(wèn)題–全面濾除所有重復紋波分量。剩下的全部為波形中的非周期性分量，包括延時(shí)很短或無(wú)延時(shí)的瞬態(tài)階躍，結果是20dB以上紋波抑制以及沒(méi)有明顯延時(shí)從而有助于提高增益和帶寬。

PWM控制只是整體解決方案的一部分。由于數字控制器采用高度集成的混合信號芯片技術(shù)工藝，因此可以集成電源管理和電源轉換。

最新一代基站、路由器及其他數據通信基礎設施中的先進(jìn)電源系統，在設計上采用串行電源管理總線(xiàn)(PMBus)傳輸數字信令。PMBus已成為電源轉換系統采用數字通信總線(xiàn)通信的標準協(xié)議。采用PMBus和基于PMBus的器件進(jìn)行電源轉換，具有傳統模擬電源系統不具備的靈活性和控制能力。即使增加電源，采用PMBus也十分簡(jiǎn)便。支持新電軌的數字電源IC含有自己的SMBus地址，可以添加到系統中，不必由于增加電壓軌重新編程，或增加額外的獨立電源管理IC。在PMBus支持下，新電軌可自動(dòng)集成到標準監控、時(shí)序控制、余量微調和故障檢測機制中。

其實(shí)數字控制能力可以更進(jìn)一步提高。如Intersil單線(xiàn)數字直流串行總線(xiàn)可以在電源IC之間相互通信，支持復雜的分布式功能，如IC間相位-電流平衡、時(shí)序控制和故障擴散等，消除了通常需要大量外置分立器件所構成的復雜電源管理功能。軟件的使用使得甚至可以在PCB組裝之后進(jìn)行器件編程，極大地方便了原型設計以及半定制子系統的系統調試。雖然一些先進(jìn)電源系統在利用數字電源管理器件功能的時(shí)候，可能需要用戶(hù)掌握設置命令和功能的豐富編程和編碼經(jīng)驗，但Intersil為基于ChargeMode技術(shù)的器件編寫(xiě)的PowerNavigator軟件，通過(guò)USB接口簡(jiǎn)化了對多個(gè)DDC器件的配置和監控。這個(gè)工具利用簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面調整數字電源設計的各種特性和功能。通過(guò)簡(jiǎn)單的拖放界面，用戶(hù)可以輕松建立完整的電源管理環(huán)境，不必編寫(xiě)一行代碼。因此，通過(guò)結合更加先進(jìn)的數字處理、通信和軟件控制，數字電源可以提供更加高效的電源并且縮短設計周期。

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