用途广泛的单芯片数字PWM控制器

By Don Alfano

Silicon Laboratories Inc

I. 介绍

数字控制可以大幅提升系统效能，因为它能支持许多复杂又很难以模拟方式实作的控制算法。数字控制还能减少零件误差的影响，例如数字滤波器就能精确设定极点和零点的位置，使其不超出系统时钟频率的误差范围；相形之下，模拟控制器的极点和零点却可能因为零件误差而出现10%以上的变化。多相位电源供应则是另一个例子，数字脉冲调变控制器 (Digital Pulse Width Modulator，DPWM) 可为这类电源供应装置精确设定各个相位的负载周期。数字控制的其它优点包括可编程能力、缩短研发时间、减少零件数目、更不容易受到零件老化和工作环境的影响、生产物流更方便以及成本更低。

数字控制和模拟控制不同，它会因为反馈参数的量化和计算时间而出现延迟。为了将延迟时间减至最少，数字控制功能会提供很高的数据吞吐量和很小的延迟时间，其中又以环路补偿和DPWM调制算法更是如此。数字控制器虽有不同设计方式，但最常见的实作方法可分为三大类：可编程讯号处理器 (通常是数字讯号处理器)、定制硬件或两者的组合。

数字讯号处理器 (DSP) 可以实时计算离散时间的控制变量值，某些供货商还提供内置闪存的DSP，让使用者能以同一套处理器平台支持多种系统架构和控制策略。这种做法的缺点在于它会受到DSP产出的限制，由于DSP产出会受到时钟频率和内存资源的影响，因此当系统必须使用较高的DPWM频率时，这些因素就会对成本、体积、供应电流和延展性造成负面冲击。

以专属硬件为基础的设计则是利用固定架构的状态机器来执行控制算法，由于硬件可以针对成本和效能最佳化，这种方法的工作效率和成本都可能胜过DSP。尽管如此，这种方法的应用弹性却很糟，因为控制硬件一旦制造完成就无法进行重大修改，所以这类硬件只能支持特定应用，这会增加产品的非重现工程费用和上市时间，设计风险也变得更大。

本文提出一种新方法，它会把处理器和固定硬件架构结合在一起，让它们各自发挥最大长处。这套架构包含多颗专属的可编程讯号处理器，它们会在另一颗内置闪存的可编程微控制器监督下执行高速控制计算。这些讯号处理器将计算过程的延迟时间减至最少，晶粒面积的使用效率也很高。整合式微控制器让控制组件变得极有弹性，它能透过用户软件来精确设定和修改系统属性 (例如频率补偿和系统保护)，并利用低频控制最佳化来增强系统效能，例如控制停滞时间 (dead time) 以提高效率。由于微控制器不必执行高频宽运算，程序设计将比DSP更简单和成本更低，使它很容易在市场上获得成功。

II. 控制组件架构

DIGITAL CONTROLLERFLASHMCUVOUTADCLOOPFILTERu(n)DPWMVREFICYCGateControl

IL

IPKDETECTOR

图1：数字控制组件的功能方块图

图1是电压模式单芯片数字控制器的最上层功能方块图，它包含高速8位微控制器和两颗可编程讯号处理器：比例积分微分型可编程回路补偿滤波器 (PID filter) 和DPWM。当微控制器完成初始设定后，可编程讯号处理器就开始自动执行实时反馈控制。微控制器还能存取信号处理器内的配置和控制寄存器，这使得设计人员透过软件就能完成实时控制的最佳化。

图2是前端讯号路径的展开图。为了满足现代电源供应的瞬时响应要求，控制器必须提供快速的响应时间。由于模拟数字转换器位于反馈回路内，转换过程的延迟时间必然会造成相位移动，使得回路的响应能力变差，因此这里会利用一颗延迟时间很小的模拟数字转换器将（Vout – Vref）的结果量化，此过程产生的数字误差De则会送至PID滤波器和硬件瞬时监控器的输入端。PID滤波器会对De进行补偿，最后才得到所要的占空比u(n)。

VOUTADCDePID Filter(kp, ki, kd)u(n)PROGRAMMABLE VREFVREFSCALINGDACVrefTRANSIENTMONITORMCU Transient Interrupt(TRAN IRQ)MCU Bus

图2：前端控制讯号路径

较小的瞬时变动是由比例和微分回路响应加以修正，但若出现很大的di/dt负载变动，微控制器还会采用一种非线性的控制响应方式。由于PID滤波器会执行积分运算，De只有在负

载出现瞬时变动时才会瞬间改变，此时瞬时监控器 (transient monitor) 会中断微控制器的执行，让微控制器调整回路增益和频率控件以加快回路响应能力，进而解决这类的负载扰动问题。本文后面将提供仿真范例说明这个过程。

本文介绍的DPWM是一种多相位可编程时序产生器，其最大PWM频率为1 MHz，时序分辨率可达5 ns。这种DPWM与采用高速计数器与比较器电路的其它架构很类似，每个输出相位的时序行为都在开机时由软件设定。初始设定完毕后，每个调制相位的占空比就如图3所示，由修整与限制逻辑电路 (trim and limit logic) 修改后的u(n) 振幅决定。

修整与限制逻辑电路会调整和限制u(n) 值，微控制器可透过此电路调整各信道的控制调制增益和限制值。输出占空比通常是由u(n) 进行调变，但在某些情形下也会受到峰值电流侦测器的限制，甚至被微控制器的设定值完全取代。图1所示的峰值电流侦测器是一个包含上升边缘遮没电路 (leading edge blanking) 的模拟式比较器，它会比较峰值电感 (或变压器) 电流与内部设定的临界值，再根据比较结果来限制每个负载周期的电流，其过程与模拟控制系统完全相同。当ICYC转换至工作状态后，PWM输出占空比的其余部份就会立刻终止。

MCU BusTrim Value(2's Comp.)High LimitLow LimitLIMITLOGIC+PH1

TRIM/LIMIT (TYP)9u(n)

TRIM/LIMITTRIM/LIMITTRIM/LIMITTRIM/LIMITTRIM/LIMITPH2PH3

DPWMPH4PH5PH6

TRIM AND LIMITLOGICICYC(From IPK Detector)

图3：DPWM修整和限制功能方块图

图4所示的微控制器包含8051兼容处理器核心和其它监督电路，例如VDD监测器、系统状态监控定时器 (watchdog timer)、时钟漏失侦测器 (missing clock pulse detector)、闪存的错误侦测器以及超前式 (look-ahead) 波形错误侦测器。

50MIPS 8051 CORE2% OSCRESETCONTROLHWDEBUGHWDEBUGIRQCONTROLFLASHRAMTIMERS/PCAsSMBusI/O PORTLATCHMUXPORT 0I/O(8)SFR BUSHWLIMITDETECTORS8-ch12-BITADCPORT 1SCANHWI/O(8)TEMPSENSOR

图4：微控制器功能方块图

处理器的最大工作速度为50 MIPS，微控制器外围则包括定时器和串行接口。另外还有一颗很重要的12位自复用式模拟数字转换器，它能同时接受多组输入，再由硬件根据使用者设定的顺序自动进行多任务切换，每个信道的转换结果都会存至单独的寄存器，另外还有可编程的硬件限制侦测器为其提供支持，只要参数量测值超出使用者设定的范围，这个限制侦测器就会产生向量中断。这种由硬件支持的限制值侦测方式会将响应时间减至最少，系统保护功能也可由控制器软件提供；另外它还能减少外部零件数目，同时让系统更有弹性。

III. 半桥式应用范例

图5所示的半桥式 (half bridge) 转换器会在400 kHz的PWM频率下工作，它还会透过次级端控制来提供最佳瞬时响应能力。PH3和PH4输出经由双信道驱动组件来控制同步整流器，初级端的小型微控制器则会将输入、电容端点和初级端平均电流等讯号数字化，然后透过单芯片数字隔离器将结果送到次级端控制器。

DRIVERP3CurrentSensorCurrentSensorVout = 1.8VVINVINVcapDRIVERDIGITALCONTROLLER+~-~P4DRIVERDRIVERVFBAINIPKIPKPH1PH2VDD2VDDP1IavIPKP2IsolatedAuxSupplyVDD2P1VcapAIN1P2ISOLATORP3P4PH3PH4SDASCLVREFGNDIavAIN2SDASCLAIN3VINMCULoad

图5：半桥式应用范例

隔离器组件为初级端开关控制讯号和电压量测值提供初级端／次级端隔离。

峰值电流感测电路使用专为满足隔离电压需求而设计的电流变压器、全波整流器和滤波器电路，其输出则会直接送到控制器的峰值电流传感器输入 (IL)。

电源开启后，控制器先执行内部硬件复位，再根据软件内容设定所有寄存器和RAM参数的初始值，控制器接着会留在低功耗状态，监测由初级端微控制器送来的VIN电压值。只要VIN超过UVLO临界值，控制器软件就会激活所有外围和中断 (包括所有的系统防护功能)，然后执行软激活。

此电路采用通用定时器作为软激活的时基，只要定时器产生一次中断，软件就会让可编程VREF值升高一点，等到电源供应的输出电压上升到指定范围，系统就进入稳态作业阶段。

在稳态作业阶段 (图6)，微控制器会在中断模式工作，此时若发生任何硬件事件，微控制器就会中断执行中的程序，然后根据优先级跳跃到所指定的中断服务例程。

SUPPLY DRIVETRAINISOGate drive signalsPOWERSTAGESPOWERSTAGESISOLOADADCVin, Vnode, IpeakVREFVoutIoutPIDFilterControl response handleDPWMHW CONTROLINTERRUPTS VINMCUVin IRQIpk IRQVout IRQTRAN IRQVNODE IRQUVLOISROCPISROVPISRTransientISRVNODEISR PEAK CURRENT VOUTTRANSIENTVNODE. . .DIGITAL CONTROLER. . .Timing control handle 图6：转换器稳态程序流程图

透过这种机制，微控制器就能在最短时间内针对优先权式系统功能架构的各种事件做出响应。具体而言，硬件产生的中断要求会让微控制器暂停执行中的程序，然后跳跃至中断服务例程，由它们执行非线性控制响应等特定工作 (参考前面第二节)。

在稳态作业阶段，微控制器会透过中断机制来管理频宽需求较少的工作，并由硬件平行执行下列工作：

󰂃 输出稳压：可编程讯号处理器每隔100 ns就将负载周期更新一次 󰂃 电流限制：电流侦测器可以限制每个周期的变压器电流

󰂃 模拟数字转换：12位自扫描式 (self-scanned) 模拟数字转换器会不停地扫描输入和输出

电压、平均电流和本地温度值，再将它们转换成数字资料并储存起来。 󰂃 参数限制值的监测：硬件限制侦测器会将每个转换后的参数与预先设定的限制值进行

比较，并在参数值超出范围时产生中断向量。

󰂃 背景工作排程：硬件定时器 (排程器) 会定时产生中断，微控制器可藉此机会执行维护

例程，例如统计资料计算、变量正规化 (variable normalization,)、通讯和其它系统管理工作。

系统防护功能 (例如电压过载保护) 的执行方式非常类似前述的瞬时响应范例，只要参数量测值超出范围，系统就会产生中断，让软件转而执行特定的中断服务例程，这项功能的保护范围包括电压过载、电流过载、超温和其它系统故障现象。

微控制器的系统管理功能还可以更正系统异常现象，例如某颗初级端开关晶体管的导通阻抗若变得太高，半桥式转换器的电容端点电压就会偏离正常的VIN/2电压值，这种现象若未被阻止，电容端点电压最后就会变成VIN+或是VIN-，转换器也会停止工作。微控制器可以延长这颗晶体管的负载周期，藉以补偿导通阻抗过高所造成的影响；为了延长晶体管的负载周期，设计人员可在软件中增加低频补偿回路，然后以VNODE (图6) 作为反馈变量，并由补偿回路为有问题的晶体管加上正的负载周期偏移值。回路的反馈动作会迫使尚未调整的相位减少其负载周期以维持稳压输出。

其它系统电源管理功能也可由软件实现，例如当工作电流很高时，电压定位功能 (voltage positioning) 会将输出电压设定在指定范围的下限，这样当负的di/dt突然出现时，Vout才能继续留在允许范围内。只要采用最好的电压定位功能，输出电容就能减为固定式稳压设计的一半，这能减少所需的成本和电路板面积。电压定位功能可由软件轻易提供，系统只需读取IOUT，再将VREF调整为最佳值即可。其它电源管理功能包括效率最佳化 (停滞时间

控制)、负载共享和电源顺序功能。

IV. 实验结果

如图7所示，我们以FPGA为基础制造出一颗硬件控制器，作为数字控制组件的概念验证平台。

图7：控制组件仿真器

这颗FPGA负责实现可编程讯号处理器、DPWM和相关的主机接口逻辑，仿真器则利用一颗已上市的50 MIPS微控制器来仿真控制器组件所内建的微控制器。离散电路 (运算放大器、模拟数字转换器和离散被动零件) 提供讯号调节和资料转换功能，仿真器则会连接至另一张包含半桥式直流转换器电路的电路板，这个转换器很像是图6所示的电路，它的输出电压为1 V，输入电压范围从32 V至72 V。

图8：仿真器激活时的效能

图8是电源供应器软激活过程的波形图，注意电压波形为单调上升，而且只要改变软激活定时器的频率，就能让波形的斜率在很大范围内变动。在无输出负载的情形下，输入电源稳定率为0.01%。若让输入电压为32 V，负载电流范围从0 A至30 A，则测量所得的负载

稳定率为0.2%。

在进行这项研究时，仿真器并未提供动态补偿。图9和10是30 A、10 A/µS瞬时变动的输出响应仿真结果，其中图9使用线性控制响应 (亦即将瞬时中断关掉)，注意电压最大仅偏移约90 mV (Vout的9%)。图10则是非线性控制的简单范例，它发现输出电压出现瞬时变动时就会增加PID滤波器的kd项，使得电压最多仅偏移约50 mV (Vout的5%)。除了这个例子之外，我们还能采用更复杂的回路调整方式来进一步改善电源供应的瞬时响应能力。

图9：线性控制响应的瞬时变化

V. 结论

本文介绍一种新型数字控制器，其效能和成本都不输给以硬件为基础的解决方案，应用弹性则媲美采用处理器的解决方案。文中还提供新控制器的硬件和仿真结果，证明它确是一套可行的解决方案。新控制器的全数字架构采用硬件讯号处理来执行实时讯号控制，内置闪存的微控制器负责执行系统监督和控制最佳化等功能，这些优点让新控制器展现出更强大的系统效能、更大弹性、更小体积和更低成本。