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数字电源控制:实现承诺

上网日期: 2011年02月16日 ?? 作者: Bill Hutchings ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:数字电源? 开关电源? SMPS?

效率优化

近年来,功率晶体管性能的不断改进和新型拓扑的应用,已使电源效率得到显著改善。但是,标示的最大效率数值通常只适用于某些特定工作条件(最大效率可能是在半载或高线路电压的情况下指定的)。数字电源的功能更为多样,可优化多个工作点处的效率。

对于PFC升压转换器,可以使转换器工作在较低的开关频率下,从而降低负载较轻时的开关损耗。由于负载较轻,磁性元件仍然可以在开关频率较低的情况下正常工作。如果采用交错式PFC转换器,则可以在轻载时关闭一个相。

同样,对于相移全桥转换器,可以通过关闭同步MOSFET的开关操作并改用器件的内部二极管,来消除轻载时的额外开关损耗。

在降压转换器应用中可找到另一个示例。同步降压转换器通常适用于高电流输出的情况。但是,使用同步MOSFET会导致在轻载时发生环流,进而产生较高损耗。因此,当转换器工作在不连续电流模式时,可以禁用降压转换器中的同步/续流MOSFET。

这些技术可对使用高级拓扑(例如谐振和准谐振转换器)获得的效率增益进行补充。为了实现非常高的效率和功率密度, 数字控制完全支持这些高级拓扑,包括相移全桥和LLC谐振转换器。因此,数字控制提供了多个选项,用于优化电源在整个工作范围内的效率。

电源管理

典型的模拟电源使用后台处理MCU(图3)来满足其电源管理要求。此后台处理MCU将本地系统参数发送到主控制器或数据记录器:它使用额外的检测电路收集所需数据,然后重新发送。在某些情况下,远程系统也可以发出指令来控制本地电源转换器的工作。这种配置需要在后台处理MCU和电源转换电路之间添加硬件接口,因此会增加成本和复杂性。


图3——主功率传输通路控制以及电源后台处理功能(在模拟设计中分别用单独电路实现)在数字版本中由单个控制器一起执行。

数字电源则不需要这种额外电路,因为DSC已测量所有系统参数。这些参数可以存储在DSC的存储器中,然后通过片上通信外设(例如SPI、I2C、UART或CAN)发送到远程系统。还可以通过简单的软件程序对系统运行情况进行任何更改,不需要额外的硬件。

数字电源还去除了冗余电路,这也降低了系统的整体成本。在同一个两级交流-直流电源示例中,第一级测量其控制环工作时的输出电压。由于此电压为第二级提供输入,因此第二级也将相同数据用于前馈控制或输入欠压/过压保护。

单个DSC去除了冗余测量,而且内部提供了用于不同控制或保护功能的所有选项。与使用分立式模拟控制器相比,DSC还有助于使系统对故障状况的响应更快速且更有效。例如,在两级模拟交流-直流电源中,如果下游转换器发生故障,则在此状况传递到PFC控制器前,前端PFC升压转换器无法识别出故障。数字控制器可以检测到整个系统中的故障状况,因而几乎可在发生故障的同时作出响应,而无论故障发生在何处。

软启动和排序

电源首次启动时,各种储能元件(例如电容和电感)均不含能量。为避免产生大电流和电压瞬变,以及随之而来对系统元件产生的压力,在电源的所有级中都采用软启动。许多(但并非所有)模拟控制器都提供内置软启动功能。带额外电路的模拟控制器,在选择软启动持续时间和启动延迟方面的灵活性有限。

在多级电源中,还需要以预定义方式对输出进行排序,因为有些输出依赖于其他输出。这可以使用单独的排序芯片或使用带额外电路的后台处理MCU来实现。

数字电源则不需要额外的硬件,因为所有排序和软启动程序(可采用多种策略)可以作为电源控制软件的一部分来实现。对电源的每级都可以实现一个软启动程序,并且每种情况都结合了可配置的持续时间和延迟。列表1中的C代码段显示了一个典型的软启动程序。


列表1——此代码段显示了在源代码级通常如何实现软启动功能。

在该代码中,初始化dsPIC DSC后,立即调用软启动程序。首先会调用启动延迟,然后将参考输出电压设置为测量的输出电压。然后参考值将以固定值递增,直到最终达到所需的参考值。此时,软启动程序结束,系统开始正常工作。数字控制器允许非常灵活地使用该软启动程序。可以在不同时间使用不同的参数调用相同的程序。例如,如果系统在发生故障后尝试重新启动,可以将启动延迟和软启动持续时间修改为不同的值。


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