数字电源实现自动补偿 电源, 稳定性, 文章, 通道

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数字电源实现自动补偿 更新于2012-03-27 10:44:24 文章出处:作者：Chris M. Young Intersil公司
数字电源 自动补偿

稳定工作是电源产品的一个关键的要求。稳压电源的稳定性很大程度上是由反馈通道的特性来决定的。设计过程中，电源工程师需要注意这些特性，以保证电源在各种负载、环境条件和器件特性发生变化的情况下都能稳定工作。根据这些条件设计稳定的反馈环路，往往是一项相当耗时的工作。

根据使用的模拟滤波网络，传统电源可能需要添加大量元器件进行补偿。开发期间，需要选择、采购这些元器件并将其焊接到电路板上。许多情况下，为使补偿器在整个工作范围内获得所需补偿，需要调整元器件的值。而反馈环路中的寄生参数对补偿回路起着重要作用，进一步增加了问题的复杂性。这些电路和器件的寄生参数很难通过建立模型进行分析，而且很多功率器件的寄生参数变化区间很大，使得电源的设计面临更多的挑战。例如，电源的负载本身是反馈环路中的一个重要因素，许多情况下电源设计师不能很好地了解其特性。加之寄生器件和负载本身的值未必是恒定的，因此必须保证补偿相对于参数变量的可靠性，这就导致环路的补偿更加复杂。

考虑以下两种情况，可进一步说明补偿的困难。第一种情况，高品质因数(低损耗) 的设计在实验室中很容易实现补偿，而一旦设计投入生产，电感器的值会产生 +/- 10% 的变化，输出电容也会发生 +/- 10% 的变化。这种情况会对反馈环路造成严重影响，导致电源稳定性急剧下降。第二种情况，设计户外使用的设备，输出滤波级采用电解电容。冬季，冷电解电容的等效串联电阻高，电容量低，预热之后等效串联电阻下降，电容量上升。这种情况同样会使反馈环路产生严重变化，导致稳定性下降。

近十年来，数字电源解决方案提供了一种取代模拟补偿网络的方法。由于模拟补偿网络就是滤波网络，因此数字电源控制器中的数字滤波器可用作滤波/补偿组件。这样，补偿不需要外部组件，可通过改变保存在数字寄存器中的增益值进行调节。这种方法明显优于需要外部补偿器件的模拟补偿网络。数字补偿便于调节补偿器，在大部分现代设计中，可通过图形用户界面  (GUI) 来完成，增益值可采用易于操作的点击按钮工具进行输入。

数字滤波器不仅能够取代模拟滤波器，而且可以执行模拟滤波器不具备的大量功能。例如，在高品质因素 (Q>0.5) 的二阶电路中，电路中的极点是一对复的共轭双极点，为有效补偿这个双极点，补偿网络需要具备复的共轭零点。传统模拟补偿器只能为补偿提供实零点。因此，限制了其有效补偿高品质因素电源的能力。而另一方面，数字滤波器便于为补偿高品质因素电源提供复共轭零点。这意味着，这种补偿要比模拟补偿稳定的多，受元器件参数变化的影响更小。不过，即使具备这种优点，许多情况下仍不足以提供各种工作条件下都稳定和最优化的电源。真正需要的是一种能够实现自动补偿的电源方案。

近年来，随着数字电源的发展，业界已开始关注自动补偿的问题。并且已经有许多论文讨论有关于自动补偿的方法，但直到最近仍未推出任何实际的产品。

Intersil 的Zilker Labs 最近推出了这种具有自动补偿功能的智能型数字电源产品——ZL6105。

ZL6105 基于 Zilker Labs 流行的数字电源控制器系列，采用先进的算法计算出系统的特征，然后确定稳定工作时相应的补偿值。Zilker Labs的数字电源器件包含两个核心，一个是单独的状态机控制的数字 PWM 发生器；另一个是嵌入式的微控制器用于监控电路、环境状况和配置情况，实时设置和修改状态机的工作。在自动补偿的过程中，微控制器会通过调整状态机来实现稳定的电源转换，因此不管功率器件的参数是在生产过程中才选定还是会随着应用而产生漂移，都只是需要很低的功耗就可以完成自动补偿工作。

与其他 Intersil 数字控制器一样，ZL6105 可通过 GUI 界面的PowerNavigator™ 进行配置。PowerNavigator™ 经USB口通过SMBus 软件狗同ZL6105通信。完成连接后，Power Navigator™ 可用来全面配置控制器，并且可以自动的读取ZL6105检测到的诸如输入和输出电压、输出电流和温度等信息。自动补偿也可以采用 GUI 界面进行配置。

自动补偿可根据需要进行配置。图1所示为 GUI 界面，页面上的选项卡可用来配置自动补偿。

共有四种基本自动补偿模式可供选择， 分别为：Off 、Once、Once per second 和 Once per minute。  其中，“Off”为停用自动补偿。补偿值可采用 GUI 中另外一个页面上的选项进行手动设置。“Once”为仅在每次启动电源时配置一次自动补偿。当补偿是生产时需要解决的主要问题时，这个选项特别实用。“Once per second” 和“Once per minute” 选项为定期重新进行补偿（分别为每秒重新补偿一次和每分钟重新补偿一次），适用于电路参数随时间发生变化的情况。.

ZL6105不仅经过配置可自动的执行自动补偿，而且还可以通过 PMBus 命令根据需要进行自动补偿。采用 GUI，这种操作可通过一个按钮来完成。

自动补偿的配置中有一个选项是将补偿值保存在非易失性存储器中。否则，补偿值将保存在 RAM 中。非易失性存储器写入操作次数是有限的，因此设置控制器将值保存在非易失性存储器时需注意，特别是在选择“每秒一次”补偿的情况下。

自动补偿配置为“Once”时，自动补偿运算是在电源输出电压完成上升状态进入调节状态之后进行的。“Power Good”指示信号一般设置为电源输出电压稳定之后，但也可以配置为直到完成自动补偿运算之后。

自动补偿选项中最后一个选项是选择补偿的最终增益值。用户可能希望降低控制环路的带宽，以平衡瞬态、噪声和稳定性。所以最终的反馈环路增益可设定为在 10% 至 100%的范围内，按10%的 步进进行调整。

当然，控制器设有即开即用的默认值，使用电源自动补偿功能可以不需要用户介入就能实现。

图2显示补偿器设定值，包括原始的数字补偿系数值和更容易让人理解的表征二阶系统特性的增益、品质因数和自然频率的值。

自动补偿解决了电源设计中最困难、最耗时的一项工作，将电源补偿环路设计简化到只需点击按钮，甚至采用更简单的默认设置即可完成。这项已申报专利的自动补偿技术，即使在电路参数发生变化的环境下也非常可靠。

自动补偿的另一个优点是通过补偿的运算确定了设备特性。电源的增益、品质因数和自然频率值可在电源整个使用周期中被监控，许多情况下，可以在系统发生故障前发现设备的显著变化。这样，便于用户预测诊断系统健康状况，提高可靠性。

节省设计工程师大量时间、生产更加稳定的电源、利用预测诊断提高可靠性，是带有自动补偿功能的数字电源取得的重大技术进步。