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簡介用於切換式電源供應器之數位控制器

2016年04月15日  | 黃正斌、張家瑞、林錦宏/台灣英飛凌科技

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「應用於切換式電源供應器中,數位控制器相較於類比控制器,究竟有什麼優點?」,這是筆者從事銷售切換式電源供應器之數位控制器技術支援工作時,多數工程師常問的問題。


切換式電源供應器是一種能夠將依照負載所需要的電源型式,將輸入電源進行轉換的裝置,主要是由功率開關元件如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、功率二極體,儲能元件及濾波元件如變壓器、電感或是電容以及檢知/控制電路所組成。


若要劃分電路的種類,切換式電源是處理電源型式的「類比」電路,無論功率級電路或是控制回路,對大多數的工程師而言,切換式電源供應器是一個純粹的類比電路,依過往的經驗僅需使用傳統的類比控制器就可完成電源供應器的基本控制。


因此對大多數的未使用過數位制器的工程師而言, 對數位控制及數位控制器的認知是相當薄弱的,此外,較高的價格及額外韌體工程師配置,也是造成數位控制器及技術在控切換式電源供應器之中未能被普及使用的原因之一。


然而當電源電路架構單純化,如90W以上的電源供應器大多採用PFC+LLC的電路架構;數位控制器硬體發展成熟,價格能被接受,再加上韌體有效地被驗證後,結合良好的圖形化使用者介面(GUI),即使沒有韌體工程師,對設計工程師而言,也能輕鬆享受數位控制器所帶來的方便性,進而能夠減少電路開發及偵錯所需的時程及人力資源,而未來的電源供應器也能夠因為採用數位控制器,能夠有更好的效能表現。


「應用於切換式電源供應器中,數位控制器相較於類比控制器而言,有什麼優點?」,從應用的角度來看,應該是「依照不同條件的相對反應」、「精確的時間控制」以及「使用者定義的彈性化控制」;以下本文將從針對這幾個主要的特點來描述,數位電源控制器如何有效提高電源供應器整體效能及輸出規格,以期讓工程師對數位電源控制器在應用上有基本的認識,進而享受數位電源控制器所帶來的好處。


精確的時間及條件控制

在切換式電源供應器中,進行時間控制的目的在於避免因為雜訊或是偶發的干擾造成控制器的誤判,而有不正常的反應行為,例如誤觸發過電壓、過電流保護,造成栓鎖(Latch)或是自動重啟(Auto-Restart)等行為。


在類比控制器中,要進行時間控制大多仰賴電阻及電容的組合,利用不同的充放電電流,對電容進行充放電,使電容電壓達到所設定的值,而後執行相對的電路動作。然而電阻值、電容值及控制器比較點的誤差,致使時間控制在類比控制器中,不易實現;反之,在數位控制器中,仰賴內建的振盪器時脈,在特定事件發生後,進行觸發事件次數或事件發生時間的計算,進行相對應的電路反應。


如圖1所示,為數位控制器在LLC轉換器,在過電流保護下的保護行為,其一,當過電流條件達成時,拉高LLC的頻率,能夠避免大電流的持續產生;其二,當過電流條件持續發生,達到事件預設的計數條件後,停止LLC轉換器。這是在數位控制器之中,能夠輕易實現的條件控制之一。在圖2所示,為AC交流市電停止,在預設的時間之後,控制器能停止LLC轉換器的驅動訊號,達到Brownout控制的目的。


圖1 數位控制器中精確的事件計數控制。
圖1 數位控制器中精確的事件計數控制。

圖2 以數位控制器實現Brownout+時間控制。
圖2 以數位控制器實現Brownout+時間控制。

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)

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