试论数字化控制开关电源技术

张雅丽

开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的高速发展，开关电源得到了广泛应用。所谓电源的数字控制，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法。

开关电源的数字控制主要有以下两种方法：第一种是通过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作。由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。第二种是单片机通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的开关电源间接控制。控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；单片经过A／D和D／A转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。

一、基于数字信号处理的开关电源

利用高性能的DSP数字芯片对电源直接控制，简化了控制电路的设计。这些芯片有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各種复杂的控制算法，对电源的控制有较高的动态性能和稳压精度。因此，这种方法将会在今后开关电源的数字控制技术中发挥重要作用。

二、基于单片机控制的开关电源

随着电子技术的迅猛发展和超大规模集成电路设计的进一步提高，单片机技术得到了迅速发展。利用单片机作为控制核心，设计方案容易掌握，而且单片机的要求不高，成本较低。通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制。

数字控制的开关电源不可避免地存在以下问题：AD转换器的速度和精度成反比。为了保证开关电源有较高的稳压精度，AD转换器必须有比较高精度的采样，但高精度的采样需要的AD转换时间更长。作为反馈环路的一部分，AD转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟以后，转换过程的延迟时间必然也会造成额外相位滞后，使回路的响应能力变差。模拟芯片用RC补偿进行PI调节的方法一样，在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的响应能力。这种做法需要占有数字芯片较大的系统资源，因为数字控制和模拟控制不同，信号采样是离散的，两次采样之间有一段间隔时间，这段时间的值是无法得到的。要实现精确的控制，每次采样之间的时间间隔不能太长，即采样频率不能太低。作为数字芯片，每次AD转换结束后，得到的结果都会被送到系统的中央运算处理器中，然后由处理器对采样的值进行运算和调节。在采样频率比较高的时候，这种做法比较耗费系统资源，对数字芯片的要求也比较高。由于目前专门用于电源控制的数字芯片还比较少，在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片，其运算和采样速度快，功能强大，但价格比较高。而且，DSP芯片不是专门的电源控制芯片，一般的电源应用对其芯片资源的利用率不高。

随着数字芯片和电源技术的发展，出现了为电源控制而开发出来的控制处理器。它不同于数字芯片的中央处理器，控制处理器主要由高速AD转换器，数字PID补偿器和数字PWM输出三部分组成。反馈环路的控制由它来完成，中央处理器作为管理模块应用在电源上。

控制处理器由高速A／D转换器，数字PID补偿器和数字DPWM输出组成。外部存储器记录了控制处理器的相关程序。高速A／D转换器是基于CMOS的传输延迟时间td影响输入电压VDD的原理做成的，VDD电压和传输时间是成近似的反比例关系，即VDD越大，信号传输延迟时间越小。

采用新的技术，大大降低了AD转换需要的时间，可以达到MHz级采样频率。高采样频率可以使DPWM的信号的更新速度达到几百纳秒一次，实现和模拟控制，通过不断更新PWM信号来进行稳压。DPWM时钟由处理器系统时钟通过锁相逻辑环路（PLL）进行倍频后，频率可以达到200MHz。通过这种分辨率高达5ns的DPWM控制信号，电源开关频率可以达到1MHz。数字补偿器为电源设计提供很大的灵活性，控制参数通过外部存储器的程序来设定，可以通过编程来改变控制策略，调试更方便。由于芯片是专门为电源设计开关，简化了结构，降低了成本。这种专门为电源设计开发的控制处理器将会得到广泛使用。

（作者单位：山东省济宁技术学院）