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最新一代DSC在数位电源的应用
[作者 徐廣安]   2016年06月17日 星期五 浏览人次: [20731]

近年来应用在物联网的行动装置快速发展,促使科技业在建置云端资料中心过程当中,面临高涨的部署成本,与消耗电量之激增,进而促使硬体设备之节能效果更受重视,因此电源供应器本身在节能方面占有举足轻重之地位。


对于电源供应器本身而言,稳定性是非常关键的因素,而稳定性主要是由回馈路径的特​​性所左右。根据所使用类比滤波网路之不同,可能需要使用一些外加元件,其元件数值必须经过多次调整,才能让补偿器在整个运作空间中,发挥预期之补偿作用。然而在回馈电路中之寄生效应,将使问题变为更加复杂,再加上负载本身之变化,因此在设计补偿器时必须全盘考量参数之变异量。


在过去十年间,数位电源已成为类比补偿之外的另一种选择。相较于类比补偿网路只有一个滤波器网路,元件数值之调整往往是牵一发而动全身,有别于类比电源晶片,数位电源晶片不仅可以简化外部电路所需零件,且可以增加适应性&非线性控制…,以实现复杂的控制技术运算来达到最佳的输出动态响应以及使整体功率密度提升,相对来说,类比电源晶片就很难达到此要求。在数位电源控制电路中的数位滤波器则同时兼具滤波/补偿作用,这也意谓无须调整外部元件便能进行补偿,且能经由改变储存于数位暂存器中的增益值,以进行调整。显而易见,相对于须采用外部补偿元件的类比补偿,这是很大的优势。


在面对此市场趋势,要求更高性能与能量密度的电源供应器,Microchip顺势推出数位讯号控制器dsPIC33EP ‘GS’系列,主要就是为了因应此应用的一个典型例子。此系列产品推出一些新功能可以有效减少执行线性差分方程式所需时间,减少整个系统时间延迟.最后,这些特性有效帮助控制回路得到较高的取样率与减轻相位的侵蚀,因此有效改进回路增益。


在数位电源供应器应用中,有数个重要因素影响着回路增益之性能。这些因素包含类比至数位转换器(ADC)的取样/转换时间,执行补偿运算所需时间,微控器的最大工作速度. 对于峰值电流控制模式,比较器速度与控制数位至类比转换器(DAC )的准确度/速度也会对PSU的回路增益造成重大影响。


dsPIC33EP最引人注意的功能是可提升工作频率,最高可提升至70 MHz,对现有的dsPIC33FJ而言,最高可提升30MIPS。如果我们使用以250 kHz速率执行60条指令的控制回路,则这会消耗总计为15 MIPS或是dsPIC33FJ装置上可用资源的37%。以相同的取样频率执行时,此相同的控制回路程式码只会消耗新型dsPIC33EP处理器上可用CPU资源的21%。如果移转至新型dsPIC33EP装置后消耗相同百份比的MIPS,则能够让控制回路以430 kHz的速率执行。


在大多数使用数位补偿器的PSU中,功率级的控制通常是由线性差分方程式(LDE)所管理。简而言之,LDE是使用控制误差与先前控制输出之线性组合而产生电流控制的数学演算式,图一是3P3Z的线性差分方程式范例。



图一
图一

从此方程式可以看见3P3Z补偿器必须执行七次乘加运算,才能决定所需的控制输出,这种结构的运算非常适合dsPIC33的结构,且Microchip已经有提供多种补偿器的原始码(source code) ,接下来的问题是如何决定如B0, B1, B2…这些参数?


在数位补偿中,补偿器的调整是相当轻松容易,现在大部分的设计皆是采用图像使用者介面(GUI),只要输入相关参数即可,Microchip所提供的工具名字叫Digital Compensator Design Tool( DCDT) ,可以很轻松的在MPLABR X IDE中以外挂模组的方式安装此GUI。



图二 :  DCDT开始画面
图二 : DCDT开始画面

图三 :  数位补偿器设计完成后之画面
图三 : 数位补偿器设计完成后之画面

完成补偿器之设计后只需要简单的按一个”generate code”就可以将这些参数产生(详细细节请参考DCDT使用手册) ,然后再套进原始代码即可完成数位补偿器之设计。


本文作者为:Microchip工程师徐广安


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