实现可靠的高性能数字电源

如图5所示，异步转换的功能在数字电源转换应用中很重要。在异步转换中，ADC不限于周期性采样速率。这些应用要求采样点与根据PWM模块输出的驱动信号设定的精确位置对齐。采用多个ADC采样保持电路同样很重要，因为它们可灵活地由数字PWM外设直接触发。由于软件引入的抖动，通过软件触发(与由数字PWM触发相比)无法产生有用的结果。通过软件触发的方式还会因执行软件而引入过长的时间。

模拟比较器提供了直接在数字控制回路中执行所无法获得的额外好处，这是由于：

.ADC无法连续监视信号。
.ADC的监视功能受ADC速度限制。如果ADC花费所有的时间监视特定的信号，它将无法监视其他任何事务。
.基于ADC的电流监视会延长电流测量和PWM输出之间的延时(> 300 ns)。
.模拟比较器使电流测量和PWM输出之间的延时约25纳秒。
.模拟比较器可监视过压或过流条件，而无需依赖处理器。
.模拟比较器无需下载处理器软件或ADC，就可执行电流模式的控制。

一般来说，用来执行限流或数字PWM信号的故障关断功能的模拟比较器对于数字电源转换的实现很重要。图6给出了使用模拟比较器执行限流的系统示例。

图6 使用模拟比较器进行限流

模拟比较器接入数字电源系统的方式也很重要。例如，每个模拟比较器均应自带一个10位DAC，从而允许用户控制比较器的阈值。比较器的参考电压必须精确而稳定，且比较器必须具有快速响应。

通常，从检测到模拟电压到比较器修改PWM输出的时间应为20纳秒左右。限流控制或故障响应就是在这个时间段内执行的。这个响应时间比通过软件“查询”技术可能花费的时间快很多，软件技术会使用ADC和处理器软件来修改PWM输出，作为对条件变化的响应。

复杂的电源产品和数字电源转换

将数字电源转换技术应用到更为复杂的电源产品会带来很多好处。例如，图7给出了一个AC至DC电源的框图。

图7 数字AC至DC电源框图

图7中的设计被分为三个主要部分—升压PFC、隔离的DC至DC转换器和弱电侧的一组低压DC至DC同步降压转换器。在PFC电路中，交流输入电压被转换为直流电压并被升至400 V，该电路负责使设计中的电源线电压失真降至最小。PFC确保电源线上的电流成正弦波形，与线电压同相位。

PFC电路输出的400 VDC总线电压随后被馈送给推挽式DC至DC调制器电路，该电路产生的脉冲电压可应用给变压器。变压器隔离交流线路和直流输出电压并执行从400 VDC到12VDC的电压转换。然后对变压器的输出进行整流和滤波。

该设计使用“中间总线”架构。中间总线电压为12 VDC，它不直接驱动负载而是向一组同步降压转换器供电。这些转换器将中间电压转换为最终输出电压。

本设计中使用了两个DSC—一个控制PFC和推挽式电路，另一个控制降压转换器并将信息反馈到强电侧DSC。在系统中放入这两个DSC在保持系统两边全功能工作的前提下大大降低了隔离的成本和复杂度。隔离可被限制为隔离用于处理器间串行通信的两个数字信号，能以低廉而可靠的方式实现。这样的设计消除了对模拟信号进行隔离的需要。系统中DSC的价格应足够低，体积应足够小，从而可在必要时在一个设计中使用多个。

目前许多SMPS使用“硬开关”，其中晶体管的导通与关断与施加给晶体管的信号的电流相位和电压无关。

在硬开关转换器中，电压和电流同相，因此开关功率损耗与开关频率和时间直接成正比。这种情况下开关时间很可能与实际所能达到的时间一样短。为进一步降低开关损耗开发了SMPS拓扑结构和控制方案，以将开关过程中晶体管电压相对于其电流的相位进行移动。如果开关过程中电压或电流为零，则开关功率损耗为零。

采用“软开关”可提高电源的效率、降低其成本并增加可靠性。此外，通过实现较高的开关速率，可使用更小的储能器件和磁性元件，从而进一步降低系统成本和尺寸。通过使用软开关，还会降低系统中产生的热量，因而会使储能器件和磁性元件具有更大的裕量—从而进一步提高了系统可靠性。

诀窍是要以经济的方式实现软开关，这就要求数字PWM模块具有支持软开关技术的额外功能。要实现各种各样的拓扑结构和先进的开关技术，如上述讨论的有关软开关的技术，所选芯片上的数字PWM应相当灵活。PWM模块中针对数字电源转换的功能包括下述几种工作模式所需的功能：

1. 标准。标准模式是标准的非互补的输出模式，其中一路或两路输出提供相同的PWM波形。
2. 互补。互补模式在一个引脚上提供PWM输出信号，在另一个引脚上提供与之互补的PWM信号。
3. 推挽。推挽模式在一个输出引脚上提供标准PWM信号。在下一个周期，由另一个引脚输出相同的PWM信号，然后这一过程不断重复。
4. 多相。多相模式允许多个PWM发生器输出同步的PWM信号，但这些信号之间存在相移。
5. 可变相位。可变相位模式与多相模式类似，但前者信号间的相位关系是不断改变的。
6. 电流复位。电流复位模式是一种变频模式，由用户指定导通时间，由外部信号或内部模拟比较器截断导通时间使PWM输出关断。
7. 限流。限流模式是标准、互补、推挽、多相和可变相位模式的一种形式，其中模拟比较器或外部信号会逐周期截断数字PWM的导通时间。

结语

电源产品中正越来越多地使用数字电源转换技术以提高产品的性能、效率和功率密度。本文阐述了设计人员可用来达到这些目标的实用技巧，首先是选择合适的硬件架构。数字电源设计的实际需求以及如何满足这些需求是设计人员开发经济高效的数字电源产品的绝对重点。

使用数字技术的重要价值之一就在于它给予了设计人员创造和保护新知识产权(IP)的自由。使用新型灵活的DSC开发数字电源转换应用的设计人员正在尝试使用新的技术来进行拓扑结构和算法创新。由于新的IP是采用软件而不是硬件实现的，因而可得到快速而高效的测试。