利用數(shù)字控制優(yōu)化單相同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率
發(fā)布時間:2008/5/28 0:00:00 訪問次數(shù):472
隨著在線語音、視頻、游戲和商務(wù)等數(shù)據(jù)密集型活動的普及，對帶寬的要求正以前所未有的速度增加。數(shù)據(jù)中心的容量也在相應(yīng)增加，但它們卻面臨有關(guān)電力成本和可用性，以及因計算要求提高而導(dǎo)致熱效應(yīng)不斷增加的挑戰(zhàn)。因此，有一點(diǎn)越來越重要，那就是最新型的功率設(shè)計必須能高效工作以確保滿足帶寬要求，并同時減少功耗及發(fā)熱。
數(shù)字功率控制提供了一種增加服務(wù)器功率轉(zhuǎn)換效率并簡化設(shè)計的方法。采用數(shù)字環(huán)路控制可設(shè)計出更具效率的降壓轉(zhuǎn)換器，也能提高各相位的電流容許量。通過使用一種獨(dú)特的柵極驅(qū)動控制算法的數(shù)字控制ic，單相同步降壓轉(zhuǎn)換器在低電壓下能提供40a的電流。與現(xiàn)有解決方案相比，此設(shè)計方案的效率提高了2%。
改進(jìn)的降壓轉(zhuǎn)換器
人們通常認(rèn)為功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字方案的效率低于模擬方案的效率，但是新型數(shù)字pwm控制器能獲得同于或高于傳統(tǒng)模擬控制器設(shè)計的效率。與此同時，新型數(shù)字pwm控制器還可以擴(kuò)展其性能界限。
與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器不同是，這種設(shè)計增加了與第一個功率鏈并聯(lián)的第二個功率鏈(圖1)。這種設(shè)計以zilker labs的zl2005數(shù)字功率控制器為基礎(chǔ)，仍然是單相ic，但包含第二組mosfet和第二個電感。由于采用能調(diào)節(jié)死區(qū)時間控制的柵極驅(qū)動控制數(shù)學(xué)算法，這種設(shè)計獨(dú)特的控制器不但可以優(yōu)化效率，還可在單相工作狀態(tài)下輸出高電流。該設(shè)計可輸出40a電流，高于單相控制通常輸出的20a～30a。
這個轉(zhuǎn)換器被設(shè)計成將12v輸入轉(zhuǎn)換為1.8v或1v輸出，輸出電流高達(dá)40a。它的主要設(shè)計目的是盡可能提高效率，同時保持理想的瞬態(tài)特性。最大輸出紋波的目標(biāo)值為10mv，目標(biāo)的瞬態(tài)響應(yīng)是在25%電流負(fù)載下保持在輸出電壓的3%以內(nèi)。
這種雙功率鏈設(shè)計允許使用標(biāo)準(zhǔn)的元件，因為多數(shù)可用的電感的額定值都是30a。它也可以使用普通電感。由于設(shè)計針對效率而進(jìn)行了優(yōu)化，因此有必要對降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)消耗功率的所有設(shè)計點(diǎn)進(jìn)行審查。
與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計一樣，降壓轉(zhuǎn)換器改進(jìn)后的功率級中的每個元件都會消耗功率。輸入和輸出電容以其等效串聯(lián)電阻(esr)消耗功率，大小與所流過的紋波電流成比例。
電感線圈和磁芯材料的損耗會消耗功率。磁芯損耗與流過電感的紋波電流和紋波頻率成比例。同步mosfet (ql)以兩種方式消耗功率：一是大小等于電流的函數(shù)的通道電阻
(rdson)，二是mosfet導(dǎo)通/關(guān)閉所需的柵極驅(qū)動電流。
柵極驅(qū)動電流損耗與頻率成比例。同樣，控制mosfet (qh)也因其rdson和柵極驅(qū)動電流而消耗功率，在其導(dǎo)通和關(guān)閉的瞬間也會消耗功率。在導(dǎo)通和關(guān)閉轉(zhuǎn)換過程中消耗的功率稱作開關(guān)損耗，它與頻率成比例。許多功率級元件的損耗都與頻率成比例，增加頻率就會增加功耗，從而降低效率�？刂苖osfet(oh)的導(dǎo)通時間可決定輸入電壓和輸出電壓的轉(zhuǎn)換比。當(dāng)qh關(guān)斷時，電感電流繼續(xù)流過同步mosfet ol。為避免輸入電壓電源短路，zl2005必須確保qh和ql不同時導(dǎo)通(即交叉導(dǎo)通)。qh和
ql都關(guān)斷的時間稱作死區(qū)時間。
圖1
在死區(qū)時間期間，電感電流必須流過ql中的寄生漏極二極管。該二極管的電壓降和產(chǎn)生的功耗大于電流流過ql漏極所產(chǎn)生的電壓降和損耗。因此，應(yīng)使死區(qū)時間降低到最小值，但不能降低到使mosfet交叉導(dǎo)通的程度。這種情況能使高壓側(cè)柵極驅(qū)動(gh)的上升沿轉(zhuǎn)換和下降沿轉(zhuǎn)換時都有最佳的死區(qū)時間。如果mosfet的時序在任一方向偏離此最佳值，效率都將會降低。
死區(qū)時間控制
zilker labs的數(shù)字直流(digital-dc)技術(shù)整合了可在功率級效率基礎(chǔ)上連續(xù)優(yōu)化mosfet死區(qū)時間的算法。具有這種功能的典型模擬pwm試圖使死區(qū)時間最短，但這樣做可能使死區(qū)時間變得太短，從而出現(xiàn)交叉導(dǎo)通，這是由于mosfet電容特性的差異(可能很大)而引起的。
相反，數(shù)字直流架構(gòu)則在給定輸入/輸出電壓比的基礎(chǔ)上，通過尋找最低占空比，不斷試圖優(yōu)化效率。這種最小占空比下的效率最高。需要注意的是，最佳效率點(diǎn)并非總出現(xiàn)在死區(qū)時間最短的情況下。
此外，該算法能捕捉fet電容或其它參數(shù)的變化，并在計算中給予補(bǔ)償。另外值得一提的是，zl2005的控制環(huán)全部以混合信號硬件實現(xiàn)。在實時處理環(huán)路控制信號時，不存在微控制器塊或dsp功能干擾，
這樣便可以獲得模擬控制器的性能
隨著在線語音、視頻、游戲和商務(wù)等數(shù)據(jù)密集型活動的普及，對帶寬的要求正以前所未有的速度增加。數(shù)據(jù)中心的容量也在相應(yīng)增加，但它們卻面臨有關(guān)電力成本和可用性，以及因計算要求提高而導(dǎo)致熱效應(yīng)不斷增加的挑戰(zhàn)。因此，有一點(diǎn)越來越重要，那就是最新型的功率設(shè)計必須能高效工作以確保滿足帶寬要求，并同時減少功耗及發(fā)熱。
數(shù)字功率控制提供了一種增加服務(wù)器功率轉(zhuǎn)換效率并簡化設(shè)計的方法。采用數(shù)字環(huán)路控制可設(shè)計出更具效率的降壓轉(zhuǎn)換器，也能提高各相位的電流容許量。通過使用一種獨(dú)特的柵極驅(qū)動控制算法的數(shù)字控制ic，單相同步降壓轉(zhuǎn)換器在低電壓下能提供40a的電流。與現(xiàn)有解決方案相比，此設(shè)計方案的效率提高了2%。
改進(jìn)的降壓轉(zhuǎn)換器
人們通常認(rèn)為功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字方案的效率低于模擬方案的效率，但是新型數(shù)字pwm控制器能獲得同于或高于傳統(tǒng)模擬控制器設(shè)計的效率。與此同時，新型數(shù)字pwm控制器還可以擴(kuò)展其性能界限。
與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器不同是，這種設(shè)計增加了與第一個功率鏈并聯(lián)的第二個功率鏈(圖1)。這種設(shè)計以zilker labs的zl2005數(shù)字功率控制器為基礎(chǔ)，仍然是單相ic，但包含第二組mosfet和第二個電感。由于采用能調(diào)節(jié)死區(qū)時間控制的柵極驅(qū)動控制數(shù)學(xué)算法，這種設(shè)計獨(dú)特的控制器不但可以優(yōu)化效率，還可在單相工作狀態(tài)下輸出高電流。該設(shè)計可輸出40a電流，高于單相控制通常輸出的20a～30a。
這個轉(zhuǎn)換器被設(shè)計成將12v輸入轉(zhuǎn)換為1.8v或1v輸出，輸出電流高達(dá)40a。它的主要設(shè)計目的是盡可能提高效率，同時保持理想的瞬態(tài)特性。最大輸出紋波的目標(biāo)值為10mv，目標(biāo)的瞬態(tài)響應(yīng)是在25%電流負(fù)載下保持在輸出電壓的3%以內(nèi)。
這種雙功率鏈設(shè)計允許使用標(biāo)準(zhǔn)的元件，因為多數(shù)可用的電感的額定值都是30a。它也可以使用普通電感。由于設(shè)計針對效率而進(jìn)行了優(yōu)化，因此有必要對降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)消耗功率的所有設(shè)計點(diǎn)進(jìn)行審查。
與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計一樣，降壓轉(zhuǎn)換器改進(jìn)后的功率級中的每個元件都會消耗功率。輸入和輸出電容以其等效串聯(lián)電阻(esr)消耗功率，大小與所流過的紋波電流成比例。
電感線圈和磁芯材料的損耗會消耗功率。磁芯損耗與流過電感的紋波電流和紋波頻率成比例。同步mosfet (ql)以兩種方式消耗功率：一是大小等于電流的函數(shù)的通道電阻
(rdson)，二是mosfet導(dǎo)通/關(guān)閉所需的柵極驅(qū)動電流。
柵極驅(qū)動電流損耗與頻率成比例。同樣，控制mosfet (qh)也因其rdson和柵極驅(qū)動電流而消耗功率，在其導(dǎo)通和關(guān)閉的瞬間也會消耗功率。在導(dǎo)通和關(guān)閉轉(zhuǎn)換過程中消耗的功率稱作開關(guān)損耗，它與頻率成比例。許多功率級元件的損耗都與頻率成比例，增加頻率就會增加功耗，從而降低效率�？刂苖osfet(oh)的導(dǎo)通時間可決定輸入電壓和輸出電壓的轉(zhuǎn)換比。當(dāng)qh關(guān)斷時，電感電流繼續(xù)流過同步mosfet ol。為避免輸入電壓電源短路，zl2005必須確保qh和ql不同時導(dǎo)通(即交叉導(dǎo)通)。qh和
ql都關(guān)斷的時間稱作死區(qū)時間。
圖1
在死區(qū)時間期間，電感電流必須流過ql中的寄生漏極二極管。該二極管的電壓降和產(chǎn)生的功耗大于電流流過ql漏極所產(chǎn)生的電壓降和損耗。因此，應(yīng)使死區(qū)時間降低到最小值，但不能降低到使mosfet交叉導(dǎo)通的程度。這種情況能使高壓側(cè)柵極驅(qū)動(gh)的上升沿轉(zhuǎn)換和下降沿轉(zhuǎn)換時都有最佳的死區(qū)時間。如果mosfet的時序在任一方向偏離此最佳值，效率都將會降低。
死區(qū)時間控制
zilker labs的數(shù)字直流(digital-dc)技術(shù)整合了可在功率級效率基礎(chǔ)上連續(xù)優(yōu)化mosfet死區(qū)時間的算法。具有這種功能的典型模擬pwm試圖使死區(qū)時間最短，但這樣做可能使死區(qū)時間變得太短，從而出現(xiàn)交叉導(dǎo)通，這是由于mosfet電容特性的差異(可能很大)而引起的。
相反，數(shù)字直流架構(gòu)則在給定輸入/輸出電壓比的基礎(chǔ)上，通過尋找最低占空比，不斷試圖優(yōu)化效率。這種最小占空比下的效率最高。需要注意的是，最佳效率點(diǎn)并非總出現(xiàn)在死區(qū)時間最短的情況下。
此外，該算法能捕捉fet電容或其它參數(shù)的變化，并在計算中給予補(bǔ)償。另外值得一提的是，zl2005的控制環(huán)全部以混合信號硬件實現(xiàn)。在實時處理環(huán)路控制信號時，不存在微控制器塊或dsp功能干擾，
這樣便可以獲得模擬控制器的性能
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