数字电源解决方案提供更高性能和集成度

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1、数字电源解决方案提供更高性能和集成度数字电源是一种使川数字信号处理技术来控制功率转换的电源。现在，我们正处在一场由数字电源带来的革命中，数字电源被用丁•功率转换给电源带来了效率、功率密度、町靠性、稳定性和易用性等重大进步。尽管数字控制概念早在30多年前就已出现，但我们现在才刚刚开始看到这项技术的广泛使用o数字电源架构演变开关电源的调节和控制过程包括牛成一个脉宽调制（PWM）信号来丞动一个或多个功率晶体管。在所有开关稳压器中，PWM信号在某种意义上算是数字信号。因此，奋生成PWM信号时使川数字控制器是自然

2、而然的想法。-些最早的数字电源控制器使用被称为数字信号处理器（DSP）的专用微处理器和通用微控制器（uC）o在这些控制器中，代表稳压电源输出电斥的模拟信号被数字化，随后在DSP中对该数字化信号进行处理。虽然DSP在处理能力方血十分强大，但要实现高频开关电源控制所需的快处理速度，还是要求高时钟速度。高时钟速度以及DSP要求的固令高偏置电流意味着功率转换过程中会消耗大量能量。而DSP对开关电源应用而言也过于昂贵。参见图1。图1使用DSP或通用微控制器的数字电源控制器人约10年前，慕于专丿IJ功能状态机的数字

3、电源控制器开始出现，先是在学术界，然后用于帀售产晶。这些状态机专为数字开关电源控制器应用而设计。控制器包含了用于功率转换的专用外围便件。其优化程度已达到使数字电源具有适合广泛应用的经济可行性的程度。这是数字电源发展史匕的转折点。图23示了现代数字电源转换器ZL6105的框图。稳压冋路的关键元件是一个专用状态机——PID数字式补偿器。图2使用PID数字式补偿器和优化型外围硬件集合的数字电源控制器ZL6105数字电源架构的优势数字信号处理技术非常适用于数字PWM,冃能够实现先进的处理算法：如滤波器、性能优化

4、算法及非线性控制和口动补偿。经过优化后，低功耗电压设置DAC以及电压和电流监测ADC提供较之于模拟控制器远为髙级的遥测T.具和信息。这-•切使数字电源能够在转换性能、功能及集成度方而达到新的水平。效率改进由于数字控制技术，ZL6105能够通过执行算法来优化同步降压转换器的上下两个FET的门驱动器信号Z间的死区吋间。在同步降压转换器中，必须设计MOSFET驱动电路以便使上下两个MOSFET永远不会出现共同导通的状态。相反，两个MOSFET长时间都处于关断状态会使电流流入其寄牛二极筲，从而降低电路效率。ZL

5、6105使川一种算法不断调整死区吋I'可，使其不交叠，以最小化损耗，从而最大化转换效率。该电路可消除由于元件变化、温度及负载效应造成的死区吋间差。集成度和可靠性对靠性这个词用来描述电源不会失效的相对可能性。通常，包括电源在内的任何系统的川靠性都会随元件数目的增加而降低。现代数了电源控制器的优点在于它们的高集成度和需要较少元件就能实现全功能电源。ZL6105数字电源控制器不仅集成了功率转换控制功能，还集成了电源管理、故障管理和遥测功能。同步功能（如爬升和下降的时序、开关相位的控制、均流、故障传播及其他）通

6、过专用的总线进行通信来实现。来自主机的系统监测使用工业标准电源管理总线命令（PMBus）通过I2C接口來执行。这样在设计中将减少许多元件。进一步的硬件集成以及山此产生的町靠性改进町见于集成式FET控制器（如ZL2101）其至全集成式电源模块（如ZL9117）O图3显示了如何轻松结合两个ZL9117模块来构建两相均流电源轨。图3使用通过DDC总线进行的通信来实现均流的两个ZL9117模块数字电源的适应性通过最佳的方式监测和响应坏境变化的能力得到增强。例如，ZL6105HJ-同时监测内部核心温度和外部温度。

7、这使控制器能够补偿对温度敏感的测量结果，来实现准确的控制和监测。输入和输出电压以及输出电流监测允许ZL6105检测系统故障和通过可配置的故障反应來预防对电源及负载的灾难性后果。易用性和自动补偿稳定性是电源工作的一个关键要求。在稳压电源中，稳定性由反馈通路的特征控制。电源工程师盂要确保电源在所有负载条件、环境条件和元件特征变化下的稳定工作。设计在所有这些条件下能够保持稳定的反馈回路是一项耗时的任务。数字电源提供了模拟补偿的替代方案。数字补偿无需外置元件并-目•町以只通过改变在数字寄存器中存储的增益值來微调

8、。数字滤波器并非模拟滤波器的简单替代物。数字滤波器执行的功能远胜于模拟滤波器的功能。例如，在高Q值（＞0.5）二阶电路中，功率回路中的极点是复杂的共辘极点，盂要共辘零点来补偿，传统模拟补偿器仅能提供实数零点。而数字滤波器则可轻松提供共轨零点来补偿高Q值电源。不过，许多情形下这一•优势并不足以在所有条件下实现电源的稳立和优化。电感和电容器初值的变化率可达到+/・10%,这会显著改变控制冋路，茯金达到使电源稳定性显著下降的程度。例如，电解电容器