数位PWM控制电源简介

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 

▲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，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。　 

▲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

　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。　 

▲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。（本文由美商快捷半導體提供／作者現擔任該公司亞太區技術行銷部首席經理）