数字电源转换解决方案的优势

电力的产生，分配和消耗有许多方面，通常涉及从一种形式到另一种形式的多个转换阶段，每个阶段表现出其唯一的转换和控制。通过以可以提供整流，升压或降压转换甚至反转的方式切换源电压，通常可以最有效地实现转换的基本方法。

切换的主要形式现在是脉冲 - 宽度调制（PWM），可对输出波形/电压进行高级控制，因此也可提供最高水平的效率。在功率转换中实现PWM控制级可以（并且已经）在模拟域中实现，但是虽然这可以在特定条件下提供可接受的解决方案，但它提供的灵活性很小并且可能导致可能无法提供有效转换的解决方案在广泛的操作条件下。由于这个原因，PWM转换级的控制现在正在向数字域过渡，这个新范例的核心是微控制器（MCU）。它不仅能够增加设计的灵活性，还能提高效率。当然，这在复杂性方面是有代价的，那么制造商正在采取哪些措施来缓解这种转变？

仍然模拟

模拟设计师的好消息是数字化功率转换仍然涉及大量的模拟技术; MOSFET仍然用于切换和引导电源。对于不熟悉MCU的人来说，坏消息是用于控制这些MOSFET的PWM信号现在由算法生成。

这对于不熟悉编写嵌入式代码的工程师来说显然会引起一些惊愕，然而，许多针对该应用领域的领先制造商现在提供的软件库旨在首先帮助设计人员，例如Microchip提供的开关模式电源控制库;一个针对dsPIC33F和dsPIC33E系列数字信号控制器进行了优化的库。

虽然与传统的MCU非常相似，但现在称为数字信号控制器（DSC）的器件是一个相对较新的类为这种类型的应用而开发的设备。例如，dsPIC33E具有高速PWM模块，可提供多达三个PWM对，每个PWM对具有独立的时序，并且能够支持DC/DC，AC/DC转换，具有功率因数校正，以及逆变器设计，照明控制和BLDC（无刷直流电机）控制。

在数字电源应用中使用dsPIC有效意味着DSC取代了仅模拟设计中的多种功能。求和节点（将转换器输出端的电压与参考电压进行比较），补偿器（设计中实现反馈以确保稳定运行的部分），PWM发生器本身都可以归入DSC。

在数字拓扑中，所使用的算法有效地取代了补偿器硬件。因为它是软件，它提供了更多的灵活性，例如实现非线性功能的能力。在处理电源变化或负载变化时，这使系统设计更加自由。此外，更容易进行修改，而无需移除或调整物理组件;而是可以通过简单地改变一些数字参数来进行改变。图1显示了模拟功能的框图，可在数字电源设计中由dsPIC DSC替代。

在传统模拟解决方案中不明显的数字设计中需要的另一个因素是测量电压的能力。这提供了对数字控制算法至关重要的数据，并通过模拟/数字转换器（ADC）实现。 dsPIC33E具有一个ADC模块，该模块具有多达16个模拟输入，可以以高达1.1 Msamples/s的速率采样。这种性能水平显着提高了DSC的工作频率。

图1：Microchip Technology的dsPIC33旨在取代电源转换设计中的多个模拟功能。

全面的设计支持

很明显，数字电源转换仍然严重依赖于模拟功能，这就是为什么一般的MCU和特别是DSC非常适合这个应用领域的原因;它们将处理核心的数字功能与基本模拟功能（如ADC和DAC，运算放大器和比较器）结合在一个器件中。

两个域的紧密集成至关重要，因为它允许控制循环在时域中进行优化。最小化反馈环路中的转换时间对于提高整体效率至关重要，这最终是任何数字电源转换解决方案的目标。

这一点在英飞凌的XMC4500系列中很明显，该系列结合了许多功能。使高效的数字电源转换更容易实现。这包括高分辨率PWM（HRPWM），其占空比分辨率为150 ps。通过这种精细调节，可以更精确地调节降压转换器的输出电压，从而减少输出电压纹波。

XMC4500中的捕捉/比较单元支持HRPWM： CCU4和CCU8。这些单元可以支持各种脉冲生成，包括非对称，非周期和单事件。这些单元也可以由许多内部/外部源或检测到的事件触发。

在电源转换解决方案的核心使用可编程器件的另一个好处是它可以轻松实现电源管理总线协议（PMBus）;开放标准，具有超过200条指令的命令语言，旨在允许系统的不同和不同元素进行通信。基于I 2 C接口和系统管理总线（SMBus）的变体，将PMBus从站添加到基于XMC4500的系统中相对简单;英飞凌网站上提供了一份应用指南，介绍了如何实现这一目标。在英飞凌软件开发平台第4版DAVE中，还支持使用XMC4000系列设计电源转换解决方案。

XMC4000系列基于带有浮点扩展的ARM Cortex-M4内核，32具有许多高级功能的-bit内核，与英飞凌的CCU4/CCU8和HRPWM功能完全集成。英飞凌提供一系列DAVE应用程序，用于使用HRPWM模块进行电源转换和PWM生成。因此，它是一个综合平台，适用于最复杂的电源转换系统。

PWM的重要性

虽然许多DSC基于最初为MCU设计的核心，但有些采用基于DSP（数字信号处理器）的核心，并将其与DSC解决方案所需的硬件功能相结合。这种类型器件的一个很好的例子是德州仪器的TMS320F2802x Piccolo MCU。然而，可能比其核心更重要的是增强型PWM外设。这是一种高度可编程且基本上自主的外设，一旦配置，只需最少的CPU交互即可运行。这显然提供了实时系统的优势，例如复杂的功率转换。

每个ePWM都具有一个16位时基计数器，并支持两个PWM输出，可以独立工作。它们还具有8个子模块，包括时基计数器，其中包括用于传统上下开关互补控制的死区子模块，以及用于产生斩波载波频率的PWM斩波器如果需要。某些型号也提供PWM（HRPWM）的高分辨率扩展。图2显示了Piccolo如何用于峰值电流模式控制（PCMC）降压转换器。

图2：德州仪器的Piccolo DSC采用峰值电流模式控制降压转换器配置。

合并能力具有类似DSP功能的MCU内核创建DSC在数字电源应用中具有明显的优势，这实际上是恩智浦（原飞思卡尔半导体）的56F8037/56F8027系列所提供的。基于具有双哈佛架构的专用内核，其单周期设计意味着它每秒可以执行高达3200万条指令，运行频率仅为32 MHz。这是由单周期16 x 16位并行MAC（乘法器 - 累加器）单元辅助的。虽然核心频率仅为32 MHz，但PWM可以采用高达96 MHz的时钟运行，分辨率为15位。六输出PWM模块允许从PWM发生器，外部GPIO，内部定时器，模拟比较器输出或ADC转换提供源信号。

图3：此图显示了恩智浦56F8000如何在隔离的110 W DC/DC SMPS中提供数字控制。

图3显示了一个块56F8000的图表，因为它将用于DC/DC SMPS应用，在这个例子中它是一个110 W隔离开关模式电源，DSC在次级侧。

结论

向数字电源的迁移已经有一段时间了;数字控制的好处很难否认，并且由于在单个器件上模拟和数字集成的持续和积极进步，采用数字电源解决方案现在比以往任何时候都更具成本效益。

对更节能运行的需求只会增加，这自然有助于实现数字控制。现在有这么多有能力的解决方案，很明显，转向数字电源转换不仅具有商业吸引力，而且在技术上也是有益的。