數位控制迴路提升效率

電源轉換器設計的效率不斷被要求提升。 不僅如此，在運算處理流程中支援更高水準的能源效率的需求也促成高動態行為負載的產生，並且會依據其工作量來啟用與停用處理器及周邊裝置。 此趨勢促使電源轉換器的架構從類比變成數位作法。

切換式電源轉換器的運作在本質上看似數位化，因為其仰賴離散的電荷封包從轉換器的一側傳輸到另一側。 這種技術的主要基礎在於，針對某些離散時間點的輸出狀態進行取樣，藉此判定傳送電荷的開關應維持在開啟狀態的時間長度。 然而，儘管這種方法顯然為數位架構，但大部分實作還是以類比控制電路為主。

在絕大多數切換式電源供應器所採用的脈寬調變 (PWM) 機制中，轉換器首先會開啟兩個平行 FET 的其中一個，藉此提供電荷封包給輸出軌。 高側 FET 會啟動一段時間，時間長短由 PWM 控制器決定。 在此導通期間，輸出電壓會向上擺盪至輸入電壓的位準。 電流會流入用於暫時儲存電荷的電感。 電感中的電流會隨著 (Vin - Vout)/L 公式所產生的斜率呈線性上升。

一旦控制器關閉高側 FET，低側開關會短暫關閉。 如此能避免兩個 FET 之間發生不必要且耗電的直通現象。 接著低側 FET 會短暫啟動，然後得以導通。 電感電流接著開始以 -Vout/L 的斜率下降，直到低側 FET 關閉，則循環又周而復始。 也因此，輸出端的電流會傾向在平均位準上下擺盪。 電感及輸出電容的濾波有助於讓傳送到負載的電流與電壓更加平滑。

為了決定每個循環期間的 FET 導通時間，轉換器內的 PWM 控制器會將輸出電壓與參考電壓互相比較，進而產生誤差電壓。 誤差訊號應該保持趨近於零，但會隨著負載需求的變化而上升或下降。 透過這種簡易結構，就能使用類比電路實現電路設計。

任何電源轉換器皆有一個關鍵問題：負載需求改變時，PWM 控制器會產生補償，但其離散本質導致兩者之間有所延遲。 設計控制迴路時本來就需要進行利弊考量。 為了確保穩定度，會採用平均化來避免不必要的輸出電壓振鈴，以免導致調節失效。 一般來說，較慢的反應會使系統更加穩定；然而，PWM 架構控制迴路會嘗試跟上變化，因此因應電源需求變化的反應延遲會導致調節無法進行。 有一種作法嘗試在這兩種極端情況之間進行折衷，就是施加與誤差電壓大小成比例的增益修正。 如此就能改善反應能力，但代價是可能會導致不穩定。

改採數位控制策略，即可在控制策略的設計上提供更多彈性。 舉例來說，靠著傳統的比例、積分、微分 (PID) 控制架構，數位或軟體式作法能更容易微調運算式不同部分的係數，並納入額外的回饋路徑，以達到更好的反應性。 PID 控制器的設計必須搭配誤差輸入，並結合處理模塊的輸出，能採用不同的策略。

比例項會直接對誤差訊號發揮作用。 若誤差極大，此項的輸出也會很大。 積分項會考量控制器長項的動作。 只有在誤差電壓在多個樣本中都維持在高數值時，輸出值才會變高。 微分項會嘗試分析誤差訊號的變化率，藉此進行預測。 若誤差迅速變化，此項的輸出將同樣變大。 藉由變更這三項的係數，控制器使用者就能輕鬆變更運算式的反應能力和穩定性。

透過數位策略，也能享有多重速率採樣的優勢。 不同於以固定頻率進行採樣，多重速率採樣能因應負載情況的快速變化。 有個方法能用單一採樣輸入達到此效果，就是採用可變頻率切換。 如果輸出電壓的變化開始加快，控制器會提高 PWM 頻率以便因應。 然而可變頻率切換會增加設計人員在電磁相容性 (EMC) 方面的難度：過濾固定頻率比涵蓋更寬廣的頻率範圍容易得多。

圖 1：Intersil 的 ZL8800 方塊圖。

Intersil 推出 ChargeMode 技術，提供多重速率採樣的優勢，且無任何負面效應。 此技術用於 ZL8800 雙通道／雙相 DC/DC 控制器，能對誤差電壓進行採樣，並在一次開關期間計算一次以上的調變訊號，能讓控制器調整 PWM 波形雙緣的時間。 此技術大幅縮短群組延遲，因此能支援超高頻寬的作業。

ChargeMode 作法在本質上可編程，因此能變更內部係數藉此設定高迴路增益。 控制器使用創新的策略來克服僅採用高迴路增益的不穩定性，能將 PWM 計時的迅速變化侷限在一個或少數幾個循環中。 工作週期突然變化的效果能在接續的少數幾個循環中獲得補償，而且由 ASCR 區塊執行。

圖 2：ASCR 控制迴路結構。

補償器採用的回授型運算式與 PID 控制器所用的類似，最主要的差異在於補償器擁有兩個平行路徑來處理經過量化的誤差電壓。 快速路徑的運作速率比慢速路徑快，而且與慢速路徑不同的是，不包含積分器區塊。 快速路徑主要用來補償工作週期變化的短期效果。 就數學原理來說，補償器能簡化到一個兩極式、雙零點濾波器。 如此的結構能提供可預測的穩定表現。

包含 ASCR 數位補償器的 ChargeMode 控制，能減少誤差採樣瞬間及工作週期決定之間的延遲。 如此一來，在高頻率下就可自然達到相位提升，進而帶來穩定性並促成高頻寬設計。 ASCR 補償器僅需微調頻寬。 ASCR 區塊有兩個輸入：增益設定以及殘值。 然而在多樣化的輸出濾波器配置中，僅有 ASCR 增益需要變化，以便達到想要的閉路迴路頻寬作業。 增益與整體暫態響應速度相關，而殘值則是衰減因子，最主要是用來設定迴路的反應速率。 如此應該就能改善對暫態高度靈敏的設計的效能，但預設值就適用於絕大多數系統。

圖 3：不同軟體參數對脈衝響應的效果。

傳統多重速率採樣技術的潛在缺點，在於因誤差電壓的過度採樣導致切換頻率諧波注入回授迴路中。 ZL8800 之類的元件在快速路徑中採用低延遲漣波濾波器以處理此問題。 漣波的重複性要素會被剔除。

軟體可設定式數位控制迴路的另一項優勢，在於能夠在 PCB 組裝之後對元件行為進行編程，而不是仰賴添加電阻、電容等被動元件。 如此可更容易地開發原型並在製造期間微調系統。 Intersil 針對 ChargeMode 技術裝置所編寫的 PowerNavigator 軟體能對電源控制器進行簡易設定，並引導正確設定增益與其他參數。

ZL8800 兼具數位控制與軟體可編程性，是一款日漸發展的電源轉換器產品，可進一步提升能效。