DSC簡化數位回授迴路設計
在直流對直流(DC-DC)轉換額定功率小於100瓦和交流對直流(AC-DC)轉換額定功率小於250瓦的電源中，使用類比回授電路仍有其道理；但是，在功能要求更高、額定功率更大的電源中，數位化控制的功率轉換回授迴路就變得相當重要，因為它能克服大部分固定類比方法造成的局限。如電容負載將大大影響電源的穩定性，雖然類比回授系統可以加入處理電容負載的設計，但負載電容的顯著變化可能會超出設計的相位(Phase)和增益極限(Gain Margin)。而數位回授系統可隨時調整補償，回授能即時對變化範圍較廣的負載特性進行補償。
不久之前，數位回授系統的使用仍相當有限，原因在於數位回授系統被認為過於複雜，所需數位訊號處理器(DSP)的成本不低且DSP周邊的功能有限，但現在數位訊號控制器(Digital Signal Controller, DSC)的開發減輕了成本和周邊功能等方面的問題。DSC同時整合了微控制器(MCU)的處理能力和DSP的計算功能在一個晶片裡。中央處理器(CPU)的設計整合了DSP中的數學功能，同時承襲自嵌入式控制器功能與彈性的周邊配備。最終整合而成的DSC既可展現DSP的數學性能，又保持了周邊的彈性及其複雜而協調的功能。
DSC顯著降低了設計的複雜性，而不犧牲CPU性能。事實上，憑藉上述特性，採用DSC的設計要比採用DSP簡單得多，因為很多DSC都配備數位電源應用的周邊，包括高解析度的脈衝寬度調變(PWM)模組、類比比較器及類比數位轉換器(ADC)等；因此能夠進行類比比較器的回授和ADC採樣。這些功能再加上單一時脈週期的快速乘法指令，使得DSC能夠輕鬆處理電源控制迴路軟體所需的高執行速度。
憑藉DSC的性能，加上高功率設計的較低切換頻率，即使是一顆配備適當周邊、性能普通的DSC也能輕鬆處理多個控制迴路，意味單晶片不僅能夠改善電源的響應特性(Response Characteristic)，還能同時改善多個獨立輸出的響應特性。
拓撲結構/工作模式/控制方法 攸關電源設計
而在開始電源設計之前，設計人員必須根據設計的拓撲結構、工作模式、控制方法做出選擇。拓撲結構主要由設計中輸入至輸出的電壓比決定。工作模式則取決於拓撲結構、需要的輸出電流及元件相關成本。至於控制方法，通常決定於可行的技術，其次為元件成本。
拓撲結構主要由設計中輸入至輸出的電壓比決定，針對較高的輸入電壓，通常使用降壓拓撲結構(Buck Topology)；而較低的輸入電壓則通常使用升壓拓撲結構(Boost Topology)。然而，常常影響拓撲結構選擇的另一因素是在滿足功能要求，同時又與所選拓撲結構相容的PWM控制器。若設計人員不能產生合適的切換訊號，使用切換式電源(Switch-Mode Power Supply, SMPS)是不可能的做法。這時，就該DSC上場，由於DSC的周邊可進行程式化，因此可能產生單個PWM輸出、兩相或多相PWM輸出、半橋驅動輸出，甚至產生全橋驅動輸出。
實際上，由於DSC周邊可程式化的特性，決定的拓撲結構甚至不須要保持不變，DSC即可協助從單相切換至兩相，然後再切換至三相，切換時在相與相之間都能保持適當的相移(Phase Shift)。有些DSC甚至具備更強的功能，包括橋式輸出之間的瞬時短路控制(Dead-time Control)，因此能避免同步切換設計中的貫穿電流(Shoot-through Current)(圖1)。
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| 圖1 可能的DSC PWM配置圖 |
而在工作模式方面，通常類比設計可使用連續的電感電流及不連續的電感電流，不同的選擇各有其優點，在不連續的電流模式設計中，即使輸出電流降至零，也能夠維持電壓穩定；而連續電流的設計使用更小的磁材料，能夠對輸出電壓漣波進行更好的控制。以往由於這兩種模式的回授要求不同，無法有效地將其結合；但現在已能在技術上克服。然而，在工作中可即時重新配置DSC可程式化的周邊，意味採用DSC的設計能夠在工作中進行模式的切換。當輸出電流足以使工作穩定進行時可切換至連續模式，而當輸出電流過低時則切換為不連續模式。
類比設計雖然也能進行類似的切換，但類比設計卻需要兩條回授通道(每種模式一條)，且在切換時可能會有小毛病產生。而DSC只需要一條回授通道，由於回授是建立在軟體基礎之上的，因此可預先裝載回授濾波器的記憶元件，從而防止切換時發生故障(圖2)。
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| 圖2 採用DSC進行工作模式切換 |
而最後要選擇的是設計的控制方法，考量要使用電壓模式控制還是電流模式控制。傳統的類比切換式電源設計使用這兩種控制方法的其中一種，而最終的選擇通常取決於成本和可行的技術。
電壓模式控制是較為傳統的方法，用在早期大多數切換式電源的設計，它使用斜波訊號產生器(Ramp Generator)和電壓比較器把來自誤差放大器(Error Amplifier)/迴路濾波器(Loop Filter)的誤差訊號，轉換成PWM。雖然簡單，但電壓模式控制仍存在沒有為保護電路元件而對電流進行限制；以及對於輸入或輸出的瞬態回應較慢與產生的回授迴路本質並不穩定等缺點。
另外一種電流模式則是更好也更安全的控制模式，其構成一個雙迴路的架構，內部電流迴路用來為電感充電，一直充電到由輸出電壓迴路指定的峰值電流為止。
外迴路(Outer Loop)類似於電壓模式控制的回授迴路，它也監控輸出和相位/頻率，補償回授，並調節由電流迴路傳輸的能量。由於內迴路(Inner Loop)定期調節電感電流，電感器必然不能記憶前次脈衝，也不能把能量從一個週期傳遞到另一個週期。內迴路還為電晶體提供了峰值電流保護，消除了磁性元件中的磁滯效應，抑制了輸入電壓引起的變化，提供了簡便的控制迴路補償。
在數位切換式電源設計中，有效實現電流模式控制的方法為採用DSC。DSC具有片上PWM周邊，其工作方式與電流模式PWM產生器一樣(圖3)，區別則在於數位回授的輸出。電壓模式設計利用回授直接控制PWM的工作週期(Duty Cycle)；而電流模式設計則利用DSC中PWM上基於比較器的脈衝終止功能(Comparator-based Pulse-termination)，根據電流回授調節脈衝寬度及由數位回授驅動的數位類比轉換器(DAC)輸出。
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| 圖3 SMPS設計中採用DSC的數位電流模式控制圖 |
利用通過計算切換式電源設計所需的PWM頻率和最大工作週期，並使用這些參數配置PWM計數器，就可實現電流模式控制，這設定了系統的最大工作週期和脈衝頻率。接下來，設計必須調整DAC參考輸出，以便處理預期中最大範圍內的電流回授訊號；如此一來，在控制PWM工作週期時就能提供最高的解析度。最後，必須要開發特定的比例積分微分(Proportional Integrator Derivative, PID)軟體程式，以控制和穩定系統。PID程式不僅為穩定性提供了恰當的回授(基於來自ADC的電壓回授)，而且還必須把回授訊號與其內部數位參考訊號進行比較，輸出期望的電流設定值給DAC，以產生比較器的參考訊號。
數位迴路控制 應注意解析度/速度
在SMPS應用中使用DSC的關鍵要素為確保晶片上PWM模組能夠為電源設計提供足夠的解析度。DSC上的ADC為系統提供回授至控制迴路的狀態應具備足夠的解析度和速度。接下來的重頭戲是挑選DSC，DSC的片上類比比較器要為產生脈衝寬度提供足夠的速度。
ADC雖可替代比較器用來終止PWM脈衝；但將ADC用來持續監控和處理訊號則會浪費其處理能力，因為僅拿固定的極限值與被監控的訊號相比，高速類比比較器可將處理器和ADC可從單調的工作中解放出來，執行更有價值的任務，同時使得DSC能夠進行電源故障保護(Power-supply Fault)和限流功能(Current-limiting)。
此外，DSC上的ADC模組若能提供獨立的取樣保持電路(Sample-and-hold Circuit)，可為DSC的實用性加分，DSC將能在精確的時刻同時對多個電壓或電流訊號進行取樣，甚至能對暫態訊號(Transitory Signal)進行採樣，有助於降低系統成本。
如果ADC能夠進行非同步取樣則可支援在不同頻率下運作的多重控制迴路，如在70kHz運作的功率因素校正(PFC)電路和在250kHz運作的DC至DC電源轉換模組。
PID演算法有助穩定電流模式
電壓及電流模式控制迴路中均可採用PID演算法，使用PID演算法可把比例積分微分誤差(實際輸出電壓與期望值之差)組合在一起，控制PWM工作週期。此外，有些DSC並不需要DSP可程式化的複雜功能，因為以微控制器(MCU)為基礎，其DSP功能以周邊的形式提供。
大於50%的占空比可能會出現電流模式的穩定性問題，然而，透過PID軟體可輕易處理這個問題。軟體設定了所需的電流大小，可按比例縮放DAC值，因此以數位化的方式實現斜率補償(Slope Compensation)，比起使用類比技術更加容易。若使用類比技術，斜波訊號產生器須與PWM脈衝進行同步，還需要一個將斜波訊號與電流回授訊號相加的加總連接點(Summing Junction)。相較於運行在1-2 BIPS的快速控制器，使用數位技術將使電流模式的SMPS設計則採用較低MIPS的DSC。
PID控制迴路是控制軟體的核心(圖4)，每當ADC中斷定期發生時，就啟動該軟體。如電壓斜波上升/下降(Voltage Ramp-up/Down)、誤差偵測(Error Detection)、前饋計算(Feed-forward Calculation)，這樣的系統函數及通訊支援程式應該在閒置迴路(Idle Loop)中執行，以減輕PID控制軟體中不必要的工作負擔。
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| 圖4 PID控制迴路的軟體架構 |
由於在軟體中，PID迴路是對時間有嚴格限制的部分，為了有效使用DSC的資源，PID迴路占用的處理器頻寬應小於66%。為設計預留足夠的處理器能力，處理諸如通訊等在閒置迴路中執行的功能，或類似軟啟動(Softstart)及排序(Sequencing)等支援功能。在基於30MIPS DSC的SMPS應用中，PID迴路由三十條指令組成，執行時間約為1微秒(μs)。如果將其重複速率(Iteration Rate)保持在500kHz(約2微秒)，PID控制迴路將占用處理器頻寬的一半，即為15MIPS。
數位回授控制協助電源設計更具彈性
在電源中使用數位回授控制有若干優點，如讓設計人員擁有更多的自由，更大的創新空間。在設計中經常要考慮的問題是在實現設計時有沒有合適的技術可利用，而DSC的優點在於其可配置性(Configurable)，使設計人員能夠開發出設計所需的技術。
舉例來說，如果電源必須在啟動和關閉期間協調多個輸出電壓，或者必須在一組獨立的功率轉換模組之間進行負載或電流共享，只有採用數位回授控制的方法不須額外支出就能支援以上功能；若使用類比元件客製化電源，成本則非常高昂。
使用數位方法的另一個優點在於能夠即時改變系統，或者說類似「熱插拔」(Hot-swap)的功能。如在電信或其他任務關鍵型應用中，若電源模組出現故障，技術人員可以在系統繼續運作時，即時用新電源模組來取代故障模組。若使用類比元件，這種熱插拔功能將會非常昂貴；但若通過DSC數位控制電源就極具成本效益優勢。
除此之外，如果電源必須適應持續演變的需求，使用DSC可輕易更改設定以滿足客戶要求；但是針對類比的電源設計，就必須從頭設計新的模組。
另外，由於晶片上內建快閃記憶體，DSC能夠簡化電源生產裝組裝，亦即可更改單一硬體設計，以便滿足不同客戶對電壓、電流不同的要求。電源微調和校正也可透過對DSC的快閃記憶體進行程式化實現，從而不需要可變電阻器(Trim Pot)或由雷射微調電阻。數位電源還能夠載入軟體，進行開發板的測試，或者利用相同的DSC硬體平台，生產多種客製化的商品。
數位電源讓設計人員能夠設計出可靠性更高、靈活性更大且可回應瞬態變化的電源，可在生產過程結束後透過修改韌體進行客製化，毋須透過硬體進行。而通過使用設有支援電源周邊的DSC，設計人員則能夠以簡便、兼具成本效益的方式領略數位功率轉換的優點。
(本文作者任職於微芯科技)
