用途广泛的单石数位PWM控制器

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1、用途廣泛的單石數位 P W M 控制器 用途廣泛的單石數位 P W M 控制器 By Don Alfano Silicon Laboratories Inc I. 介紹介紹 數位控制可以大幅提升系統效能，因為它能支援許多複雜又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，例如數位濾波器就能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精確

2、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 ( DS P ) 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 DS P ，

3、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 DS P 產出的限制， 由於 DS P 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 DP W M 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。 以專屬硬體為基礎的設計則是利用固定架構的狀態機器 ( S t a t e M a c h i n e ) 來執行控制演算 法，由於硬體可以針對成本和效能最佳化，這種方法的工作效率和成本都可能勝過 DS P 。 儘管如此，這種方法的應用彈性卻很糟，因為控制硬體一旦製造完成就無法進行重大修改， 所以這類硬體只能支援特定應用，這會

4、增加產品的非經常性工程費用和上市時間，設計風 險也變得更大。 本文提出一種新方法，它會把處理器和固定硬體架構結合在一起，讓它們各自發揮最大長 處。這套架構包含多顆專屬的可程式訊號處理器，它們會在另一顆內建快閃記憶體的可程 式微控制器監督下執行高速控制計算。這些訊號處理器將計算過程的延遲時間減至最少， 晶粒面積的使用效率也很高。整合式微控制器讓控制元件變得極有彈性，它能透過使用者 軔體來精確設定和修改系統屬性 ( 例如頻率補償和系統保護) ，並利用低頻控制最佳化來增 強系統效能，例如控制停滯時間 ( d e a d t i m e ) 以提高效率。由於微控制器不必執行高頻寬 運算，程式設計將比

5、DS P 更簡單和成本更低，使它很容易在市場上獲得成功。 II. 控制元件架構控制元件架構 DIGITAL CONTROLLERFLASH MCUVREFIPK DETECTORDPWMGate ControlVOUTILu(n)ICYCADCLOOP FILTER圖 1：數位控制元件的功能方塊圖 圖 1 是電壓模式單石數位控制器的最上層功能方塊圖，它包含高速 8 位元微控制器和兩顆 可程式訊號處理器、比例積分微分型可程式迴路補償濾波器 (PID filter) 和 DPWM。當微控 制器完成初始設定後，可程式訊號處理器就開始自主執行即時回授控制。微控制器還能存 取訊號處理器內的組態和控制暫存

6、器，這使得設計人員透過軔體就能完成即時控制的最佳 化。 圖 2 是前端訊號路徑的展開圖。為了滿足現代電源供應的暫態響應要求，控制器必須提供 快速的響應時間。由於類比數位轉換器位於回授迴路內，轉換過程的延遲時間必然會造成 相位移動，使得迴路的響應能力變差，因此這裡會利用一顆延遲時間很小的類比數位轉換 器將 Vout Vref的結果量化，此過程產生的數位誤差 De 則會送至 PID濾波器和硬體暫態監控器的輸入端。PID濾波器會對 De 進行補償，最後才得到所要的負載週期比 u(n)。 PROGRAMMABLE VREFu(n)VOUTMCU BusTRANSIENT MONITORADCPID F

7、ilter (kp, ki, kd)VREFSCALING DACMCU Transient Interrupt (TRAN IRQ)DeVref圖 2：前端控制訊號路徑 較小的暫態變動是由比例和微分迴路響應加以修正，但若出現很大的 di/dt 負載變動，微控制器還會採用一種非線性的控制響應方式。由於 PID濾波器會執行積分運算，De 只有在負 載出現暫態變動時才會瞬間改變，此時暫態監控器 (transient monitor) 會中斷微控制器的執 行，讓微控制器調整迴路增益和頻率控制項以加快迴路響應能力，進而解決這類的負載擾 動問題。本文後面將提供模擬範例說明這個過程。 本文介紹的 DPWM

8、 是一種多相位可程式時序產生器，其最大 PWM 頻率為 1 MHz，時序解 析度可達 5 ns。這種 DPWM 與採用高速計數器與比較器電路的其它架構很類似，每個輸出 相位的時序行為都在開機時由軔體設定。初始設定完畢後，每個調變相位的負載週期就如 圖 3 所示由修整與限制邏輯電路 (trim and limit logic) 修改後的 u(n) 振幅決定。 修整與限制邏輯電路會調整和限制 u(n) 值，微控制器可透過此電路調整各通道的控制調變增益和限制值。輸出負載週期通常是由 u(n) 進行調變，但在某些情形下也會受到峰值電流 偵測器的限制，甚至被微控制器的設定值完全取代。圖 1 所示的峰值電

9、流偵測器是一個包 含上升邊緣遮沒電路 (leading edge blanking) 的類比式比較器 ， 它會比較峰值電感 (或變壓器) 電流與內部設定的臨界值，再根據比較結果來限制每個負載週期的電流，其過程與類比控 制系統完全相同。當 ICYC轉換至工作狀態後，PWM 輸出負載週期的其餘部份就會立刻終 止。 DPWM9 u(n)TRIM/LIMIT (TYP)+LIMIT LOGICTrim Value (2s Comp.)High LimitLow LimitMCU BusTRIM/ LIMITTRIM/ LIMITTRIM/ LIMITTRIM/ LIMITTRIM/ LIMITTRIM

10、 AND LIMIT LOGICPH1PH6PH5PH4PH3PH2ICYC (From IPK Detector)圖 3：DPWM 修整和限制功能方塊圖 圖 4 所示的微控制器包含 8051 相容處理器核心和其它監督電路，例如 VDD 監測器、系統 狀態監控計時器 (watchdog timer)、時脈漏失偵測器 (missing clock pulse detector)、快閃記憶 體的錯誤偵測器以及超前式 (look-ahead) 波形錯誤偵測器。 50MIPS 8051 COREPORT 08-ch 12-BIT ADCMUXTEMP SENSORPORT 1RAMFLASHHW LI

11、MIT DETECTORS2% OSCRESET CONTROLHW DEBUGIRQ CONTROLTIMERS/ PCAsSMBusI/O PORT LATCHSFR BUSHW DEBUGI/O (8)I/O (8)SCAN HW圖 4：微控制器功能方塊圖 處理器的最大產出為 50 MIPS，微控制器週邊則包括計時器和串列埠。另外還有一顆很重 要的 12位元自多工式類比數位轉換器，它能同時接受多組輸入，再由硬體根據使用者設定 的順序自動進行多工切換，每個通道的轉換結果都會存至專屬暫存器，另外還有可程式的 硬體限制偵測器為其提供支援，只要參數量測值超出使用者設定的範圍，這個限制偵測器 就會

12、產生向量中斷。這種由硬體支援的限制值偵測方式會將響應時間減至最少，系統保護 功能也可由控制器軔體提供；另外它還能減少外部零件數目，同時讓系統更有彈性。 III. 半橋式應用範例半橋式應用範例 圖 5所示的半橋式 (half bridge) 轉換器會在 400 kHz 的 PWM 頻率下工作，它還會透過次級 端控制來提供最佳暫態響應能力。PH3 和 PH4 輸出經由雙通道驅動元件來控制同步整流 器，初級端的小型微控制器則會將輸入、電容端點和初級端平均電流等訊號數位化，然後 透過單晶片數位隔離器將結果送到次級端控制器。 VINVout = 1.8VDIGITAL CONTROLLERDRIVERD

13、RIVER VFBDRIVERIPK DRIVERP1P2P3P4VREFIPKIsolated Aux SupplyVDD2VDDGND+-VcapAIN1AIN3VcapVINVINMCUP1P2P3P4VDD2PH1PH2PH3PH4SDASCLSDASCLIPKLoadCurrent SensorISOLATORAINCurrent SensorIavAIN2Iav圖圖 5：半橋式應用範例：半橋式應用範例 隔離器元件為初級端開關控制訊號和電壓量測值提供初級端次級端隔離。 峰值電流感測電路使用專為滿足隔離電壓需求而設計的電流變壓器 (Current Transformer)、 全波整流器

14、和濾波器電路，其輸出則會直接送到控制器的峰值電流感測器輸入 (IL)。 電源開啟後，控制器先執行內部硬體重置，再根據軔體內容設定所有暫存器和 RAM 參數 的初始值，控制器接著會留在低功耗狀態，監測初級端微控制器送來的 VIN電壓值。只要 VIN 超過 UVLO 臨界值，控制器軔體就會啟動所有週邊和中斷 (包括所有的系統防護功 能)，然後執行軟啟動 (Soft-Start)。 此電路採用通用計時器做為軟啟動的時基，只要計時器產生一次中斷，軔體就會讓可程式 VREF升高一點，等到電源供應的輸出電壓上升到指定範圍，系統就進入穩態( Steady-State) 作業階段。 在穩態作業階段 ( 圖 6

15、 ) ，微控制器會在中斷模式工作，此時若發生任何硬體事件，微控制 器就會中斷執行中的程式，然後根據優先順序跳躍到所指定的中斷服務常式。 HW CONTROL INTERRUPTSPOWER STAGESPOWER STAGESADCVREFDIGITAL CONTROLERLOADISOISOVINPEAK CURRENTVOUTTRANSIENTVNODEMCUUVLO ISRVin IRQ. . . . .Vin, Vnode, IpeakVoutIoutGate drive signalsIpk IRQVout IRQVNODE IRQOCP ISR OVP ISRTransient I

16、SRTRAN IRQVNODE ISRSUPPLY DRIVETRAINControl response handleTiming control handleDPWMPID Filter圖 6：轉換器穩態程式流程圖 透過這種機制，微控制器就能在最短時間內針對優先權式系統功能架構的各種事件做出回 應。具體而言，硬體產生的中斷要求會讓微控制器暫停執行中的程式，然後跳躍至中斷服 務常式，由它們執行非線性控制響應等特定工作 (參考前面第二節)。 在穩態作業階段，微控制器會透過中斷機制來管理頻寬需求較少的工作，並由硬體同時執 行下列工作： ? 輸出穩壓：可程式訊號處理器每隔 100 ns 就將負載週期更新一次 ? 電流限制：電流偵測器可以限制每個週期的變壓器電流 ? 類比數位轉換：12位元自掃描式 (self-scanned) 類比數位轉換器會不停地掃描輸入和輸 出電壓、平均電流和本地溫度值，再將它們轉換成數位資料並儲存起來。 ? 參數限制值的監測：硬體限制偵測器會將每個轉換後的參數與預先設定的限制值進行 比較，並在參數值超出範圍時產生中斷向量。 ? 背景工作