片上DAC為模擬比較器提供了可編程的閾值，軟件可以隨時(shí)更新這些參考DAC的值以設(shè)定峰值電流限制。

數(shù)字電流模式方法的關(guān)鍵在于使用具有特定片內(nèi)PWM外設(shè)(其工作方式與分立式電流模式PWM發(fā)生器相同)的DSC，見(jiàn)圖6。

圖6 具有自動(dòng)關(guān)閉功能的基于計(jì)數(shù)器的PWM

從圖2中的框圖可知，2個(gè)混合信號(hào)組件(1個(gè)電壓比較器和1個(gè)DAC)已添加到普通的基于定時(shí)器的PWM外設(shè)中。電壓比較器向PWM模塊提供一個(gè)關(guān)閉信號(hào)，此信號(hào)與占空比計(jì)數(shù)器的輸出一起對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行門(mén)控。當(dāng)占空比計(jì)數(shù)器達(dá)到0時(shí)，比較器的輸出可以將PWM輸出驅(qū)動(dòng)至0。

DAC的輸入來(lái)自DSC，并生成比較器的參考信號(hào)。當(dāng)該系統(tǒng)被整合到數(shù)字SMPS時(shí)，PWM模塊中的計(jì)數(shù)器發(fā)出PWM脈沖，DAC產(chǎn)生一個(gè)送至比較器反相輸入端的電壓(該電壓表示的是電感的期望電流)，而反饋電流被送至比較器的同相輸入端。

隨著電感內(nèi)電流的形成，占空比計(jì)數(shù)器將繼續(xù)向上計(jì)數(shù)。如果電感電流先達(dá)到期望值，比較器將終止脈沖，電感開(kāi)始向輸出電容放電。如果PWM計(jì)數(shù)器先達(dá)到特定的占空比值，比較器將終止PWM脈沖。該方法在模擬和數(shù)字兩個(gè)領(lǐng)域都達(dá)到了最佳效果——既可以得到一個(gè)不需要高M(jìn)IPS處理器的快速電流模式反饋，又可以具有設(shè)定最大占空比來(lái)限流的能力。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字電流模式設(shè)計(jì)

如何讓該系統(tǒng)工作?我們首先確定SMPS設(shè)計(jì)需要的PWM頻率和最大占空比。這些參數(shù)用來(lái)對(duì)PWM的計(jì)數(shù)器部分進(jìn)行配置。下一步，將參考DAC輸出調(diào)整至期望的電流反饋信號(hào)的最大范圍。這能在控制PWM占空比時(shí)提供最高分辨率。最后，設(shè)計(jì)比例積分器微分器(PID)軟件代碼，它會(huì)接收來(lái)自ADC的電壓反饋，將它和內(nèi)部數(shù)字參考電壓作比較，適當(dāng)濾波以幫助穩(wěn)定，然后將所需電流設(shè)置輸出到產(chǎn)生比較器參考電壓的DAC，見(jiàn)圖7。

圖7 數(shù)字電流模式控制

如何處理占空比大于50%時(shí)的電流模式穩(wěn)定性問(wèn)題?PID軟件可設(shè)置所需的電流值，因此就可以輕松地調(diào)整DAC值。因?yàn)閿?shù)字方式的控制操作統(tǒng)統(tǒng)由軟件完成，故采用數(shù)字方式進(jìn)行斜坡補(bǔ)償比采用模擬方式更加容易。模擬解決方案需要一個(gè)與PWM脈沖同步的斜坡發(fā)生器以及一個(gè)求和結(jié)點(diǎn)(將斜坡電壓加在電流反饋上)。

這一方案設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的電流模式SMPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用性?xún)r(jià)比高的30 MIPS DSC來(lái)完成1~2個(gè)BIPS處理器較難完成的工作。假設(shè)處理器在下一個(gè)脈沖開(kāi)始之前只需計(jì)算一個(gè)新的期望電流值，那么處理器應(yīng)有足夠的空閑時(shí)間完成其他任務(wù)，例如通信、系統(tǒng)監(jiān)視和決策性功能(包括軟啟動(dòng)/上電序列以及處理故障檢測(cè)和恢復(fù))。

數(shù)字電流模式控制技術(shù)

DSC包含一個(gè)ADC，它能夠在PWM周期內(nèi)進(jìn)行精確的特定電流采樣采集，無(wú)需使用模擬比較器就可以實(shí)現(xiàn)電流模式控制。數(shù)字電流模式控制回路基于以下事實(shí)：可以計(jì)算出達(dá)到期望電感電流值所需的PWM導(dǎo)通時(shí)間?？梢詼y(cè)量電感上的電壓，當(dāng)感應(yīng)系數(shù)已知時(shí)，還可測(cè)量電感中的初始電流。

給定：V=Ldi/dt

I(t)=I(to)+1/L*∫V(t)dt

整理為：(L/V)*(I(t)-I(to))=dt

使用公式：PWM導(dǎo)通時(shí)間=(L/V)*2*(Idesired-Istart)

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，由于輸入濾波器電容較大，故輸入電壓不能快速改變。因此，無(wú)需每次執(zhí)行控制算法時(shí)都計(jì)算耗時(shí)的除法運(yùn)算(L/V)。許多PWM周期可以共用計(jì)算結(jié)果以減少計(jì)算的工作量。視L/V項(xiàng)為恒量，占空比其余部分的計(jì)算就很輕松了。不將模擬比較器用作PWM信號(hào)的關(guān)斷控制器，使其可用于檢測(cè)負(fù)載電流意外出現(xiàn)大幅瞬態(tài)變化的情況或輸出過(guò)壓條件。

前饋技術(shù)

電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)之一是提高了對(duì)可變輸入電壓的響應(yīng)。SMPS系統(tǒng)采用了數(shù)字控制之后，很容易為可變輸入電壓提供前饋補(bǔ)償。大多數(shù)SMPS拓?fù)渲杏脕?lái)描述輸出電壓與輸入電壓、占空比和變壓器匝數(shù)比關(guān)系的傳遞公式相對(duì)簡(jiǎn)單?？稍陔娏髟O(shè)定點(diǎn)添加電壓前饋，或者以與電流控制回路并聯(lián)的方式添加到電路中。例如，降壓轉(zhuǎn)換器的傳遞公式為：

Vout=Vin*占空比/周期

通常情況下，所有控制計(jì)算的期望結(jié)果都用于生成要裝入到PWM占空比寄存器中的值。

占空比=Vout*(周期/Vin)

計(jì)算輸入電壓的前饋補(bǔ)償所花費(fèi)的時(shí)間是執(zhí)行除法運(yùn)算所需的時(shí)間。前饋補(bǔ)償技術(shù)本質(zhì)上非常穩(wěn)定，并可提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

結(jié)論

本文討論了在SMPS應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電流模式控制的各種方法(使用或不使用模擬比較器)。帶合適外設(shè)的DAC在實(shí)現(xiàn)SMPS時(shí)提供了多種選擇。從模擬SMPS控制到數(shù)字SMPS控制的轉(zhuǎn)換過(guò)程中的一個(gè)重要步驟是要意識(shí)到電流模式控制的期望功能是完全可以在DSC中通過(guò)各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。