数位电源技术的架构与应用

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1、 The Technical Architecture and Applications in Digital Power 位電源技術之架構與應用 位電源技術之架構與應用 By Anderson Su 簡介: 簡介: 近，位化電源(Digital Power)已愈愈受到國內外電源晶片設計公司及研 究發展單位重視；除此之外，廣泛應用於電壓調整器(Voltage Regulator)與負載點 電 源 (Point of Load) ； 主 要 乃 由 於 它 能 夠 節 總 功 消 耗 如 相 技 術 (Phase-Shedding)與容實現複雜的控制技術運算達到最佳的輸出動態響應以 及能使整體電

2、源模組功密提昇等；有別於比電源晶片，位電源晶片僅 可以節外部電所需的電阻電容件，且幫助電源研發工程師在設計上只需藉 由人性化介面(GUI)完成所有設計如回授補償(Feedback Compensation)、過電 (Over Current)及過電壓保護(Over Voltage Protection)等節總設計時程。 本文將概介紹目前新的位電源控制技術架構，如：適應性控制(Adaptive Control)、非線性控制(Linear-Nonlinear control)、位電模式控制(Digital Current Mode Control)及位電壓模式控制(Digital Voltage

3、Mode Control)及位控制器在 電源設計上之應用。 位電源架構位電源架構 如圖一所示為位電源晶片應用於直轉直壓轉換器；其中主要基本架構 包含比至位轉換器(Analog to Digital Converter)、位控制器或補償器(Digital Controller or Compensator)以及位脈波寬調變(Digital-Pulse-Width-Modulator)。 比至位轉換器(A/D Converter)比至位轉換器(A/D Converter) 在壓轉換器其輸出信號是為比信號，也就是其信號在瞬間變化是續的； 位信號則表示瞬間變化只能以有限位元表示之，稱之散訊號；位信號經

4、由 比信號取樣之後得到，因此位信號之時間變皆為基本單位之整倍如圖二 所示，圖二中可知訊號 100 表示比電壓為 2.25V2.75V 之間，所以並非所有 比信號皆可用 0 或 1 表示之，對每個單位位信號所能代表的比信號皆有 個範圍，稱為最小有效位元(Least Significant Bit, LSB)；藉由化之後，每個位 0 或 1 即能夠表現出電壓在比上之變化。除此之外，化及解析位元將影 響控制系統之穩定性以及輸出電壓之準確；所以在設計上選擇高解析位元的 A/D 轉換器會有較佳的輸出電壓準確但相對的價錢及時間延遲亦會增加。 Alpha & Omega Semiconductor (Tai

5、wan), Ltd. 7F, No.37, lane 365, Yangguang St., Neihu, District, Taipei City 11491, Taiwan 如式(1)為比轉位之最小有效位元(LSB) ， 而式(2)為輸出電壓變動之變化 。 另一個設計上考需注意為 limit cycle 現象，這是由於在位系統中假如 A/D 轉 換器解析大於 DPWM 解析情況，則在輸出電壓會有震盪情況發生，此震盪 的振幅與頻很難去預測且引起 EMI 干擾，基本上此輸出電壓震盪與換開 關無關而是由 A/D 轉換器和 DPWM 所造成。因此為避免震盪 DPWM 的解析 位元要大於 A/D

6、轉換器解析位元。 DAnDA DALSBVV /2/ /,(1) oref VVH (2) oref VVH (3) 輸出電壓之感測器增益析比至位轉換器之解之電壓範圍比至位電壓轉換器考電壓HnVVDAref/max圖: 位電源應用於壓轉換器之架構 LoadLoadDigital CompensatorSynchronous BUCKSense AmplifierQuantizerADCDPWMSense AmplifierQuantizerMOSFET DriversVout圖二: 比轉位轉換器之最小有效位元表示圖 位控制器(位控制器(Digital Controller) ) 電壓或電控制模

7、式已經應用於比電源晶片多；電壓模式控制為單一迴 而電模式控制則需有內部電訊號控制迴；在位控制器中其控制模式基本 上概相似於比控制模式；主要差乃位控制器需有 A/D 轉換器以及處 的位架構，當然位控制器對於較複雜控制策是較能實現以及可適時修正補 償器達到系統應用上之變化。 位電壓模式控制(Digital Voltage Mode Control) 電壓模式控制一般控制上可使用 PID 控制器；如式(4)所示為 PID 控制法則， 其中 dn和 en分別表示電壓誤差及責任週期(duty cycle)；dn-1和 en-1分別為 前一週期之責任週期及電壓誤差值. 式(4)可被實現在散時間(discr

8、ete-time)的 控制法則，位控制器以此設定 PID(比-積分-微分)。藉由適當的 PID A、B、C 符合實際設計規格要求。 2 1 1neCneBneAndnd (4) 非線性PID控制器(Nonlinear PID) 由於在快速的輸出電在變動下，輸出電感電無法瞬間改變反應輸出電 的變動，而輸出電容的電必須補償介於電感電及輸出電之間；因此，直到 電感電Li達到輸出電oi時，電容必須充電或放電且因此引起輸出電壓overshoot 或 undershoot 於考電壓(reference voltage)。如圖三為用充電平衡且採Analog SignalDigital Signal00000

9、101001110010111011111.522.533.54用非線性控制架構使轉換器穩定且最小化 undershoot；此概牽涉電容電 交越點且藉由估算輸出電的變動或藉由估算輸出電壓谷底準位(valley point) 達到最小的回時間(setting time) ； 電感電和輸出電壓是被取樣次在負載暫態 期間，此資訊是被使用估算第一次新的負載電如式(5)與決定換週期如式 (6)、(7)。其中，310,AAA是電容積分範圍藉由負載電2oi估算而得。此非線性控制方法主要缺點是控制器乃基於 A/D 轉換器偵測負載變動，因此取樣延遲是 難避免的。 (5) (6) (7) 圖三: 控制充電平衡在輸

10、出負載變動 aLLaooa LaLotESRiiCvvCiii111 1221LVVVVAAAtoinoinup/2/1310 ooin updownVVVtt適應性控制(Adaptive Control) 所謂適應性控制事實上是以變動為基準設計一套法則達到最佳效能 如圖四所示；非線性控制亦可屬於其中一種控制在適應性控制；如式(4) A項主要影響只在增益(gain)，其中穩態誤差是能夠被減小在合大的A值；C項是反映到誤差值的變動，它是稍微影響在誤差和穩態的變動. B項所給的好處 是消除穩態誤差；非線性PID控制器是被使用去增加暫態響應的速並且穩態 誤差亦會受到影響，其主要方法是建構同的PID基

11、於同的輸出負載 變動或以輸出電壓誤差變動最佳化輸出暫態響應(transient response)。如表一 出 PID 在同輸出負載條件下。 圖四: 適應性控制概 表一: PID基於同輸出負載範圍變動 位電模式控制(Digital Current Mode Control) 電模式控制一般有峰值電(peak-current)、平均電(average-current)以及谷底電模式控制(valley-current mode control)。通常峰值電模式控制能夠有較快 的反應速且控制模式以及輸出波器設計較容；由於直接感測電感峰值電 所以受雜訊干擾；谷底電模式則是感測電感谷底電其控制模式似峰值

12、電 控制。此處將舉其平均電模式控制做一概要明；平均電模式控制顧名 思義乃是取得電感電之平均值在每個換週期且追隨著所取樣的考電準 位。此法是假定責任週期被計算在每個週期之內並且在每個週期的平均電感電Load Current AIAload50AIAload105AIAload1510 A 23 22 19 B 45 42 38 Coefficient C 22 20 18 程序控制器適應性控制控制器操作條件 命將被強制追隨所取樣的考準位；如圖五所示為平均電模式控制電感電與 考電，從圖五可推導出位平均電模式之控制方程式如式(8)；藉由式(8) 以位方法實現平電模式控制；其中niref、niL、nd

13、和sT分別為在第n次所取樣之考電、電感電、責任週期與換週期。表二為概整位電壓 及電控制模式之優缺點。 圗五: 平均電控制模式之電感電波形 (8) 表二: 位控制模式之優缺點比較 優點 缺點 電壓控制模式 控制器設計容 單一迴控制 無法得之電資訊 響應較慢 峰值電控制模式 控制器設計容 有過電保護 反應速快 受雜訊干擾 需電迴補償 需斜補償 平均電控制模式 有過電保護 反應速較電壓模式快 需電迴補償 需斜補償 控制器較複雜 位電源應用(位電源應用(Digital power application) ) 如圖五所示為位電源於主機板電源之主要應用；一般而言，AC輸入電源將 藉由AC-DC powe

14、r supply(如伺服器一般從低階到高階其AC-DC輸出功可從 百瓦至千瓦)；圖為階之系統(two-stage)也就是從AC-DC，DC-DC到12ViLiref n-2iL n-2ip n-2iref n-1iL n-1ip niref niL ndn-1 Tsdn Tsperiodnth1periodnth sTn2sTn1sTnino Loininos ref sinVVniLVV VVTniTVLnd 12 1直電源供給CPU電源(VR)與低電壓輸出給ASIC、CPLD或USB等使用；在 介於所有電源之中；位電源晶片將提供時序控制(time-sequence)、電壓準位 (voltage margining)調整、電壓追隨(voltage tracking)功能以及故障訊號報告(fault reporting)等；進而與系統做接與溝通借由PM Bus或I2C通訊介面。對於功需求大的VR可以適當調整相運作節功提升整體效能。系統直接從 AC-DC 轉 12V 直電源，中間去 48V-12V；通常稱之單階系統(single stage)。 AC-DC48V12V1.2V1.8V2.5V3.3VPOL POL POL POL DC-DCOR-ing Fet12V OR-ing