PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實...

15
電源管理-數位 PWM 控制電源簡介 數位 PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實驗結果也都有實例來證明數位 PWM 控制的確可以帶來不少的好處。相較於類比 PWM 控制方式,數位 PWM 控制的方式不止在成本上具有較高 的優勢,尤其它所具有的優異特性,例如它可產生任意的波形去驅動 MOSFET 開關、可與外界溝通的能力 以及可程式化的彈性操作,這些因素都將使得數位 PWM 控制有可能會在最短的時間內去取代整個電源的控 制方式。 就目前所能見到的數位 PWM 控制方式的產品,其優點可由幾項基本因素歸納如下: 1.可產生可程式化的驅動波形信號輸出。 2.不受元件誤差,特性漂移以及老化的影響。 3.隨時可因應不同環境變化而改變其設定參數。 4.可記錄操作情況以作為參考除錯之用。 5.與早就數位化的外界溝通。 從市場的角度來看,數位電路在成本的控制上會比類比電路更具競爭性,以類比電路所設計的 IC 要達到 縮小晶片尺寸的機會並不太,除非有部份功能數位化才有可能完成這項工作。成本的高低一向是視晶片的大 小為考量而決定,假使傳統類比電源控制方式及管理功能能夠一併數位化,將晶片尺寸縮小的速度也將會追 隨著 Moore''s law 的準則而得到合理的解釋,相對地對於降低成本也有幫助。 對於一個電源製造廠而言,可程式化的電源設計對於降低生產設計成本也可提供一個不錯的解決方案。理 論上以數位 PWM 控制的系統所具備的記憶體均內含有控制參數的設定以及可讀寫儲存資料的能力,此特性 對於如何降低生產成本的控制有下列 4 項好處: 1.產品的差異性可藉由程式的設定達成,而不需硬體的更換以降低庫存量。 2.具有自我軟體監測方式,可強化產品測試效率,甚至取代其功能以降低生產的不良率。 3.產品辨識、操作記錄及後續追蹤,均可經由記憶體的儲存,以方便日後的管理及除錯。 數位控制包括了那些部份? 首先,我們必須先瞭解在一般電源轉換器內有哪些部份是必須被控制的: 1.對於控制電源 MOSFET 開關的調變控制週期(Duty Cycle)以達到所設定的輸出電壓是必須且主要的控 制部份。 2.對於所附屬的功能(例如電壓定位,時序控制,過溫度保護及過電流保護等等),所採取的保護動作及與 外界溝通的能力也是要被控制且不可或缺的。 針對附屬的功能部分,就數位設計的角度去看,因為所須要的操作速度不高以及設計複雜度也不難,所以 被數位化是可以實現的。但在另一個部份,若要將主要的控制模組數位化,其中包括了脈波寬度調變器(電 源轉換器的核心),則會因「空間」、「成本」及「功耗」的因素影響而較難以實現。所幸拜現今數位積體 電路進步之賜,為了實現與類比控制電源相同設計的要求,數位控制系統所必須具備的最大的資料解析度以 及最小的延遲速度,可以仰賴 DSP(Digital Signal Processing)和 A/D 轉換器的技術來達成。 以現今的技術看來, 數位積體電路的低成本以及其高密度的整合性,對於數位化 PWM 方式的設計可說 幫助不少,因此,克服“全數位化”的電源控制方式的挑戰而實現數位化 PWM 的電源控制方式,是指日可 待的。在此篇文章裡,將探討“速度的需求”在數位電源的重要性,也將探討電源設計工程師在數位電源控 制將會遇到的問題及挑戰。 類比控制電源與數位控制電源結構的比較

Transcript of PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實...

Page 1: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

電源管理-數位 PWM 控制電源簡介

數位 PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實驗結果也都有實例來證明數位 PWM

控制的確可以帶來不少的好處。相較於類比 PWM 控制方式,數位 PWM 控制的方式不止在成本上具有較高

的優勢,尤其它所具有的優異特性,例如它可產生任意的波形去驅動 MOSFET 開關、可與外界溝通的能力

以及可程式化的彈性操作,這些因素都將使得數位 PWM 控制有可能會在最短的時間內去取代整個電源的控

制方式。 就目前所能見到的數位 PWM 控制方式的產品,其優點可由幾項基本因素歸納如下:

1.可產生可程式化的驅動波形信號輸出。

2.不受元件誤差,特性漂移以及老化的影響。

3.隨時可因應不同環境變化而改變其設定參數。

4.可記錄操作情況以作為參考除錯之用。

5.與早就數位化的外界溝通。

從市場的角度來看,數位電路在成本的控制上會比類比電路更具競爭性,以類比電路所設計的 IC 要達到

縮小晶片尺寸的機會並不太,除非有部份功能數位化才有可能完成這項工作。成本的高低一向是視晶片的大

小為考量而決定,假使傳統類比電源控制方式及管理功能能夠一併數位化,將晶片尺寸縮小的速度也將會追

隨著 Moore''s law 的準則而得到合理的解釋,相對地對於降低成本也有幫助。

對於一個電源製造廠而言,可程式化的電源設計對於降低生產設計成本也可提供一個不錯的解決方案。理

論上以數位 PWM 控制的系統所具備的記憶體均內含有控制參數的設定以及可讀寫儲存資料的能力,此特性

對於如何降低生產成本的控制有下列 4 項好處:

1.產品的差異性可藉由程式的設定達成,而不需硬體的更換以降低庫存量。

2.具有自我軟體監測方式,可強化產品測試效率,甚至取代其功能以降低生產的不良率。

3.產品辨識、操作記錄及後續追蹤,均可經由記憶體的儲存,以方便日後的管理及除錯。

數位控制包括了那些部份?

首先,我們必須先瞭解在一般電源轉換器內有哪些部份是必須被控制的:

1.對於控制電源 MOSFET 開關的調變控制週期(Duty Cycle)以達到所設定的輸出電壓是必須且主要的控

制部份。

2.對於所附屬的功能(例如電壓定位,時序控制,過溫度保護及過電流保護等等),所採取的保護動作及與

外界溝通的能力也是要被控制且不可或缺的。

針對附屬的功能部分,就數位設計的角度去看,因為所須要的操作速度不高以及設計複雜度也不難,所以

被數位化是可以實現的。但在另一個部份,若要將主要的控制模組數位化,其中包括了脈波寬度調變器(電

源轉換器的核心),則會因「空間」、「成本」及「功耗」的因素影響而較難以實現。所幸拜現今數位積體

電路進步之賜,為了實現與類比控制電源相同設計的要求,數位控制系統所必須具備的最大的資料解析度以

及最小的延遲速度,可以仰賴 DSP(Digital Signal Processing)和 A/D 轉換器的技術來達成。

以現今的技術看來, 數位積體電路的低成本以及其高密度的整合性,對於數位化 PWM 方式的設計可說

幫助不少,因此,克服“全數位化”的電源控制方式的挑戰而實現數位化 PWM 的電源控制方式,是指日可

待的。在此篇文章裡,將探討“速度的需求”在數位電源的重要性,也將探討電源設計工程師在數位電源控

制將會遇到的問題及挑戰。

類比控制電源與數位控制電源結構的比較

Page 2: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

▲圖一

圖一為一個典型的類比控制電源方塊圖。在類比控制的方式上,輸出電壓會被取樣而與參考電壓作比較,其

所產生的誤差電壓,會被放大後以提供類比 PWM 調變器作參考以調整適當的脈波寬度去產生所要求的輸出

電壓,在功率 MOSFET 開關中被放大的電流及電壓會經由輸出濾波器過濾後,以得到所設計的直流輸出電

壓。

在一個閉迴路系統內,控制電路必需滿足整個迴路增益在任何工作頻率下要<1 (此時相位延遲等於 360

度)。除了閉迴路系統內含的 180 度反向器之外,外部元件所造成的相位延遲(例如:電容及電感)以及

放大器、調變器和驅動開關線路也提供了額外但較少的相位延遲。

調整或者稱之為補償,是在誤差放大器上,針對迴路增益以及相位延遲所採取的一種方式,以確保整個電

路能在預期的條件下正常且穩定工作,針對隔離式的輸入/輸出設計,亦可套用此類比控制電源方塊圖,其

觀念上是一樣的。

假如將“Micro-Controller”植入圖一的類比控制電源方塊圖內,此 MCU 就必須針對類比電源所需要的

調整及控制功能來設計,但這不是我們要在此討論的重點,我們比較關心的是在整個迴路控制技術上,如何

以數位化來取代,尤其是針對 PWM 的功能,誤差信號的處理以及補償方式的數位化處理。

▲圖二

一個數位化的控制電源架構如圖二所示,它是從圖一為基礎所衍生出來的類似架構,請注意此方塊圖中,

Page 3: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

輸出電壓取樣,補償電路及脈波寬度調變器的功能都還在,只是以另外一個名稱代表而已。其他如電源

MOSFET 開關,取樣電壓比例以及濾波器的功能仍然與圖一所標示的一樣。

讓我們先從電源 MOSFET 開關的部份開始,數位化的脈波寬度調變器去驅動控制電源 MOSFET 開關部

份以放大電壓及電流,但此時所控制電源 MOSFET 開關的 on 和 off 的時間是經過了計算而得到的結果,若

以類比控制的方式,其 on 與 off 的時間決定是以正反器的 CLK 觸發點為 on,而以上升的速度及設定最大

電壓的觸發點為 off,作為其時間長短的判斷。如此的差異性決定了數位控制電源的優異特性,這在稍後再

加以說明。

在 PWM 之前是稱之為 PID(Proportional Integral Derivative)或「控制裁決處理器」的子系統,它是

將數位化的輸出電壓轉換成內含 Duty Cycle 控制的資訊給 PWM 作參考之用,更清楚的解釋是 PID 的工作

是去調整脈波寬度以即時的方式將輸出電壓鎖定在預設的範圍之內,就如同類比控制方式一樣,PID 也必須

去補償迴路增益及相位延遲去穩定整個迴路控制,在數位系統內,還有其他的相位延遲因素,例如資料處理

器的計算延遲時間。所以在類比控制電源內影響到迴路增益與相位延遲的因素(例如輸出電容及電感濾波器)

也會在數位控制電源的設計上出現,只是多了額外的資料處理器的計算時間以及 A/D 的傳輸延遲時間。

再往前一步看到 A/D 轉換器,它會將輸出電壓轉換成數位資料以高速的脈波頻率提供 PID 作參考,其內

含 2 進位資料以“Word”為標準,其中每個 Word 中有8個位元代表,而 A/D 的比較參考電壓及字元的

長度會決定輸出電壓的精密度。在數位世界裡,被量化後的類比資料會以一整串斷續的資料值表示,介於資

料值與資料值之間的空隔(解析度)會取決於資料的位元長度以及 A/D 轉換器所取樣的電壓範圍大小。

量化效應(Quantization Effects)-數位化的必然現象

類比控制可調整出非常精準的輸出電壓,原則上,在類比控制的世界中,輸出電壓可以調整至任何所需要

的電壓,僅受限於迴路增益,熱效應以及雜訊的干擾所影響。從數位控制來看,其斷續且有限的設定點是量

化元件所造成的結果,此量化元件乃指“A/D 轉換器”以及“DPWM(Digital Pulse Width

Modulator)”。所以解析的程度就以設定點的多少作決定,以 2 進制控制系統而言,n 位元的控制字元

代表可產生 2n 的設定點狀態,若以一個電源開關系統為例,以 2n 的資料量去控制脈波寬度,其輸出電壓的

解析度可以 VIN/2n 來代表。這些一連串斷續的量化輸出,必須符合輸出電壓的規格要求,其中也包括了誤

差範圍。舉例說明:

VOUT = 1.20 Volts 1, 容忍誤差 = ΔVOUT = 1

A/D 轉換器所需要的位元數 = n = int (log2 (VOUT/ΔVOUT)) = int (log2(100)) = 7

這說明了,A/D 轉換器至少必須有 7 個位元的資料量才可以達到所要輸出的電壓值以及其所設定的誤差

範圍。比例因素,H,配合 A/D 的轉換以達到所設計的輸出電壓,A/D 的解析度決定了輸出電壓的精密範

圍。

假如在下一階段的量化元件(DPWM)的解析度比 A/D 轉換器還要少的話,那麼 A/D 轉換器將無法找到

其合適的輸出電壓以供 DPWM 參考使用,也就是說,A/D 轉換器的 LSB(Least Significant Bit)會因為

DPWM 所調整出的輸出電壓無法配合 A/D 的解析度而一直改變,這結果會使得系統無法鎖住輸出電壓,而

會產生輸出電壓彈跳的現象,這種現象我們稱之為“Limit Cycling”,圖三可解釋此現象的形成。

Page 4: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

▲圖三

為了得到更精準的輸出電壓,便一定要提高解析度,對數位 IC 而言會是一項挑戰,因為所付出的成本會

因為時脈頻率的提高,而導致的其他問題的產生,舉例而言,假使 DPWM 為 10bit 的解析度(9bit A/D),

而其電源開關頻率設計為 1MHz(i.e. 1uS 周期),那麼每個 LSB 的對應時間為 1usec/210 = 977 pico

second,為了要達到此速度反應的要求,那麼 DPWM 的工作頻率必須為 1/977x10-12 = 1.024 GHz。雖然

符合此工作頻率的 IC 元件是可以設計及生產,但其相對在電源轉換器的應用上是不太可能被接受的。因為

要求高精密度的輸出所帶來的高操作工作頻率會導致無法避免的高熱以及較高的設計成本。

顫抖控制(Dither)-脈波抖動有時是有幫助的

在不提高超出實際應用範圍太多的操作頻率下,去達到 DPWM 所要求的解析度,其中一個方法我們稱之

為「顫抖控制(Dither)」。它利用輸出濾波器會平均脈波流的特性而達到高解析度的要求。以每個從 DPWM

所輸出的脈波流為例,假使每 mth 輸出脈波的寬度調整相當於 1LSB 的變化量(其餘的脈波寬度維持不變),

那麼此平均脈波流的增加或減少量。會相當於 1/mx1LSB 的解析度。舉例說明,在 DPWM 的輸入脈波流中,

1LSB 代表平均 10mV 的變化量,假設每 4 個輸出脈波的變化代表著 10mV 的變化量,經由輸出濾波器的平

均輸出電壓,將由原來的 10mV 降低成 10mV/4 或 2.5mV。此結果表示 DPWM 的解析度比原來高了 4 倍,

圖四表示此差異性。

▲圖四

Page 5: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

如此一來,DPWM 的操作工作頻率可為 operating frequency/m,這樣就可達到電源設計的所要求的精

密度而且降低了設計的成本。

控制截決處理器(PID)

嚴格說起來,送至 DPWM 的資料流量並非直接從 A/D 轉換器提供,其中還經過一個控制截決處理器,

也就是 PID 處理過後才送至 DPWM。此過程會將 A/D 轉換器的輸出加以修正,但並不會影響其原有的解析

度。輸出電壓經由 A/D 轉換器所形成 2 進制輸出是以下列方程式轉換後再送至 DPWM,下列每個因子代表

在時間點 k 所處理的字元:

Dc(k+1) = Kp·De(k) + Kd·[De(k)-De(k-1)] + Ki·Di(k) + Dref(k)

其中,

Dc(k+1)代表下一個內含 Duty cycle 的資訊而準備要送至 DPWM 的字元

Di(k) = Di(k-1) + De(k) 代表最後的總和積分差+誤差量

De(k) = Dref(k) – Dout(k) 代表誤差量

在此方程式的每一個因子均提供所需要的資訊量,以取得最佳的 Duty cycle 去推動電源 MOSFET 開關,

每個因子皆有其相對應的參數以作為其加權比重的調整,其中,

Kp(Proportional Coefficient)代表可調整增益大小以改變靈敏度的調整參數。

Ki(Integral Coefficient)代表隨時間積分所累積的誤差量的調整參數;Di(k)的積分是將上一次所取樣的

狀態加上此時所得到的誤差量。此方程式所積分出來的誤差會被控制到 zero,以使得輸出電壓調整至所要

求的設定值。

Kd(Derivative Coefficient)代表整個迴路系統所累積的延遲時間的調整參數,時間的延遲會導致相位

偏移的問題,而此問題必須被修正以確保系統的穩定性。Kd 調整的效果就如同在類比設計內加了一個零點

的調整一樣,它也一併補償 Ki 所造成的延遲問題。

顯而易見地,在 PID 的功能上,這此參數就如同在類比控制電源上調整頻率響應,迴路增益,以及迴路相

位一樣。如同設計類比控制電源一樣,我們必須調整這些控制參數以達到所要求的頻率響應及預期的穩定

性。通常在初次的設定時,這些參數皆經由計算或是從類比設計的理論衍算出來,在實際操作上,調整 Ka、

Ki 以及 Kd 確實可以在數位控制電源的系統上去完成在類比設計上所要達到的要求。

最重要的一點是,PID 的控制參數都是以儲存的方式記錄在記憶體內,而且可以被重新設定而不必經由焊

接的步驟就可精確地去調整動態頻率影響,輸出特性以及控制迴路的相關特性。

數位控制電源不止精確而己,它並不像類比控制電源那樣會隨著溫度變化, 老化現象以及元件誤差的種種

因素而影響整個設計的信賴度。而且,所儲存的參數可因應不同的控制系統的要求而改變不同的參數設定去

作較廣泛的產品應用。

數位控制結合智慧控制的操作

以數位所設計的電路,理所當然的可以與外面的數位世界透過 BUS 作指令溝通,資料交換以及偵測外界

狀態的功能。圖五所示為一個例子。

Page 6: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

▲圖五

此架構結合了一些重要資訊的提供,例如外界 MOSFET 的溫度,輸入電壓、輸出電流或者更複雜的外界

資訊給數位控制電源系統作為參考,如此可更有效的運用,而發展出許多以前不可能實現的功能及特性,例

如的 VID 的程式化,Turn-on 及 Turn-off 的軌跡設定以及 OCP/OVP 的動態調整。諸如此類的控制均可藉

由數位 BUS 的溝通而掌控在程式(軟體)設定之內。

希望此篇文章能帶給大家有更新的概念及想法,去思考及瞭解數位電源系統所能帶來那些應用上的幫助,

以及給各位在未來發展新產品時的一個助力。

PWM(Pulse Width Modulation)—脈衝寬度調變,屬於交換式穩壓電源的應用之一,利用微處理器的數

位輸出來對類比電路進行控制的 1 種先進技術。隨著電子技術的發展,目前也已經出現了多種衍生的 PWM

技術。

簡而言之,PWM 是一種對類比訊號電平進行數位編碼的方法。藉由高解析度計數器的使用,方波的佔空比

被調變用來對 1 個具體類比訊號的電頻進行編碼。PWM 訊號仍然是數位的,因為在定義的任何時刻,一般

的直流供電不是有(ON)便是無(OFF)。電壓或電流源是以 1 種通路(ON)或斷路(OFF)的重複脈衝

序列被加到類比負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候,斷的時候即是供電被斷開的時

候。只要頻寬足夠,任何類比波形都可以使用 PWM 進行編碼。

直流電源轉換器通常利用脈衝寬度調變機制來控制導通元件,此技術會改變負載週期,也就是電晶體導通時

Page 7: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

間和截止時間的比值,再配合電感的電力儲存能力,讓輸出電壓在有限的輸入電壓和負載電流範 圍內保持

固定;FET 導通阻抗和電感的直流阻抗越小,功耗就越少,轉換效率也越高。然而負載電流越小,PWM 控

制電路的效率就越低,因此先進的電源轉換器可將工作模式切換成脈衝頻率調變 (PFM),以便在整個負載

範圍內都保持很高的轉換效率。有些應用必須將開關頻率固定,讓射頻子系統所受的電磁干擾減至最少,許

多電源轉換器也為這類應用提供「強迫 PWM 模式」。

目前在整個的電子類比電路系統中,電視、音響設備、照片處理、通訊、網路等都逐步實現了數位化,而最

後一個沒有數位化的應用就是電源供應器領域了。近年來數位電源的研究趨勢不減,成果也越來越多,不過

基本上,要達到完全數位化還有很長的路要走。在電源數位化方面處於領導地位的公司有 TI 和 Microchip。

TI 公司既有 DSP 方面的優勢,又購併了 PWMIC 專業製造商 UNITRODE 公司,該公司甚至已經用

TMS320C28F10 架構出應用於通訊的 48V 輸出大功率電源模組,其中 PFC 和 PWM 部分都已經達到完全

數位式控制。

在許多低功率輸出的應用場合中,比如說手機、數位相機、PDA、遊樂器、隨身聽等產品的交流電壓調整器

(AC Adapter)中,對於待機時的省電要求都相當高。傳統的 PWM 控制器多為 BJT 製程,因此不論是啟

動或工作電流,均維持在毫安培的範圍,這樣會造成啟動電阻的消耗過大。而控制器本身為定頻操作,並無

省電的特性存在,無法滿足無負載時低輸入功率的要求。較新的 PWM 也針對此種缺點進行改善,除了加入

變頻能力以外,也增加了省電模式與功耗限制能力,再不需外加補償電路的前提下,有效降低系統待機系統

功耗。

數位控制可以大幅提升系統效能,因為它能支援許多很難以類比方式實作的控制演算法。數位控制還能減少

零件誤差的影響,例如數位濾波器就可以精確設定極點和零點的位置,使其不超出系統時脈頻率的誤差範

圍;相形之下,類比控制器的極點和零點卻可能因為零件誤差而出現 10%以上的變化。多相位電源供應則

是另一個例子,數位脈衝調變控制器 (Digital Pulse Width Modulator,DPWM) 可為這類電源供應裝置

Page 8: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

精確設定各個相位的負載週期。數位控制的其它優點包括可程式能力、研發時間更短、零件數目更少、更不

容易受到零件老化和工作環境的影 響、生產物流更方便以及成本更低。

數位控制和類比控制不同,它會因為回授參數的量化和計算時間而出現延遲。為了將延遲時間減至最少,數

位控制功能會提供很高的資料產出和很小的延 遲時間,其中又以迴路補償和 DPWM 調變演算法更是如此。

數位控制器雖有不同設計方式,但最常見的實作方法可分為三大類:可程式訊號處理器 (通常是數位訊號處

理器)、客製硬體或兩者的組合。

數位訊號處理器 (DSP) 可以即時計算離散時間的控制變數值,某些供應商還提供內建快閃記憶體的 DSP,

讓使用者能以同一套處理器平台支援多種系統架構和控制策略。這種做法的缺點 在於它會受到 DSP 產出的

限制,由於 DSP 產出會受到時脈頻率和記憶體資源的影響,因此當系統必須使用較高的 DPWM 頻率時,

這些因素就會對成本、體積、供應電流和延展性造成負面衝擊。

PWM 的主要優點是從處理器到被控系統訊號之間都是以數位形式存在,無需再進行數位類比轉換。讓訊號

保持為數位形式可將噪訊影響降到最小。噪訊只有在強到足以將邏輯 1 改變為邏輯 0 或將邏輯 0 改變為邏

輯 1 時,也才能對數位訊號產生影響。

對噪訊抵抗能力的增強是 PWM 相對於類比控制的另外一個優點,而且這也是在某些時候將 PWM 用於通訊

的主要原因。從類比訊號轉向 PWM 可以極大地延長通訊距離。在接收端,藉由適當的 RC 或 LC 網路可以

濾除調變高頻方波並將訊號還原為類比形式。

■Silicon Laboratories Si825X

Page 9: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

Si825x 獨特的設計結合用於即時迴圈控制的高速處理硬體和基於 FLASH 的系統管理控制器。這種高頻寬控

制迴圈以 10MHz 的速度更新,包含 1 個專用類比數位轉換器(ADC)、可程式 DSP 過濾引擎、6 頻 DPWM

和可程式的電流保護 (OCP)硬體偵測器。該系統管理控制器可偵測錯誤和復元、最佳化控制迴圈 (control

loop optimization),比如動態迴圈補償 (dynamic loop compensation)和時滯調整 (dead-time

adjustment),PMBus 傳送和外部設備管理。該系統管理控制器基於 32k FLASH 的 50 MIPS 8051 CPU,

包含 12 位自動排序的 ADC、SMBus™ PMBus 介面埠、UART、16 位計時器及附加的 PWM 頻道。

Si825x 指定在攝氏–40 至 125 度之間操作。

■Microchip MCP1630

Page 10: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

MCP1630 可用來建構具有先進功能、通訊及可程式化能力的電源系統。此元件還支援所有交換式供電

(Switchmode Power Supply;SMPS)拓樸,最適合需要中度至高度智能、且在 200kHz 以上頻率運作

的應用。典型應用包括鋰離子及鎳金屬氫化物電池充電器、智慧型電源系統、DC/DC 轉換器、AC 功率因素

修正、多重輸出電源及多相電源等。MCP1630 配備內置保護裝置,包括過低電壓鎖定 (UVLO)、輸出短路

及過熱保護等。器件的典型操作電流低至 2.8 毫安培,輸出升降分別僅需 5.9ns 及 6.2ns。此外,此元件的

最大電流上限精確至+/-5%,在最大電流模式下操作時頻率達 1MHz。

■TI UCD9240

Page 11: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

UCD9240 多相電源系統控制器提供 4 組獨立輸出,包含 250ps 解析度的數位脈衝寬度調變器(PWM),並

能透過圖形操作介面(GUI)設定全 系統組態,以便監測、控制和管理 DC/DC 負載點電源轉換。設計人員可

以透過 GUI 的組態配置能力來設定電源的各項功能,包括電壓與電流的臨界值和響應、 軟啟動、輸出邊限

調整(margining)、電源順序、追蹤、相位管理、迴路響應用和風扇控制等。UCD9240 包含 Fusion Digital

Power 週邊,可執行全數位迴授環路控制並支援高達 2MHz 的開關頻率。這款控制器支援多達 100 種 PMBus

介面命令,包括電源供應的控制、組態配置和管理。UCD9240 將操作的電流消耗減至最少,最低只有 40mA。

■Primarion PX 7522

Page 12: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

PX 7522 可以調節 2 個獨立的輸出或者在單輸出模式下調節 2 相輸出,它同時支援 DCR 和 RDSon 電流感

應 IC 佈局技術,輸出電壓範圍在 0.5V 到 8V 之間。這款具備高可配置性的控制 IC 利用了 PMBus 和晶片內

建非揮發性記憶體,來增強其可控制性和即時系統監控。PX 7522 的控制功能利用了數位技術,可以在提高

輸出負載的前提下提供合適、穩定和靈活的解決方案。Primarion 並在該晶片上整合了產業標準 I2C PMBus

串列介面,因而讓電源設計者可以迅速最佳化設計和監控即時系統性能。PX 7522 的執行電壓為+5V,轉換

頻率範圍為 150KHz~1GHz。在單輸出模式下,精確切分各相輸出的功能可以增強其靈活支援不同電源要

求的多相輸出的能力。

■ADI ADM1175/6/7/8

Page 13: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

ADI 公司的 ADM1175/6/7/8 數位電源監視器包含 1 個用於測量集成直流電源可提供高解析度的 12bit

ADC、熱插拔控制器以及監視刀鋒伺服器、新興刀鋒 PC 和 ATCA 卡的電流檢測放大器。放大器可檢測串聯

電阻器兩端的電壓並且通過控制電源路徑中的外部 N 溝道場效應電晶體(FET)的門極電壓來限制電流。該

系列器件還包含轉換開始引腳,從而允許系統中多個 ADC 同步採樣,從而能夠即時測量所有的電源以 完全

讀出總的電源利用率。該系列晶片可控制 3.3V∼14V 的電源電壓。提供工業標準 I2C 介面允許控制器讀取

ADC 轉換後的電流和電壓資料。 ADM1175,ADM1177 和 ADM1178 可提供 4 個 I2C 定址,而 ADM1176

可提供 16 個定址。

■Maxim MAX8688

Page 14: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm

MAX8688 採用 PMBus 匯流排進行通訊,可用來控制/監視單條匯流排上多達 127 個電源,或直接嵌入到

現存的類比電源管理方案中,在此之前只有全數位電源才能提供這些功能。MAX8688 晶片透過簡單嵌入到

現存的全類比電源的方式,簡化監測和控制功能的實現,該晶片在電源側形成一個慢速迴路,為電源輸出電

壓設 置提供極其精確的控制。透過直接插入電源的使能、反饋和/或參考電壓輸入點,MAX8688 可以在整

個工作溫度範圍內實現優良的上電時序控制、追蹤控制和 ±0.2%精密度的輸出電壓微調。

由於 MAX8688 完全控制電源的輸出電壓,類似於電壓容限升/降控制和控制輸出電壓以特定速率躍變等任

務變得相當簡單。MAX8688 使用內建的 12 位元高精密度、高線性度 ADC 來監測輸出電壓、電流和板上

溫度,因而可以靈活的透過數位控制的方式,來設置多個警報和故障門限並進行相應處理。不過在 PWM 部

分,MAX8688 仍然是以類比方式運作。

Page 15: PWM 控制的觀念早已存在了一段時間,在許多的研究報告以及實 …honfu.com.tw/userfiles/pdf2/14-1.pdf · 電源管理-數位pwm 控制電源簡介 數位pwm