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[原创] 具有数字控制功能的电源

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maychang

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发表于 2019-7-23 15:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 maychang 于 2019-7-23 15:32 编辑

  关于数字电源,有多种定义。比较常见的有
  定义一:具有数字控制功能的电源(强调控制功能)
  定义二:通过数字接口控制的电源(强调通讯功能)
  定义三:具有数字监测功能
的电源(强调监测功能)
  
  本帖只准备讨论第一种定义所述的数字电源,即具有数字控制功能的电源。这类电源也往往被称为程控电源,意思是由程序控制的电源。有时也称数控电源,意思当然就是数字控制的电源。
  
  其实,D/A芯片就是一个程控电源,其输出电压是由输入的数字信号决定的。但是,D/A芯片允许输出的电流实在太小,通常只有数mA(这其实是D/A芯片内运放允许的输出电流),输出电压一般也不会超过D/A芯片的电源电压。这样的输出电流和输出电压,一般不足以称之为电源。
  顺便说一句:老式的D/A芯片是电流输出型,不能直接输出电压,必须加一个运放将输出电流转换成电压再输出。后来把运放做到了D/A芯片内部,这才有了电压输出型D/A芯片。早期的D/A芯片是并行输入数字信号,后来有了串行输入的D/A芯片,无非是将串行转并行部分电路也做到了芯片内部。这些细节,不影响我们使用D/A芯片。

01 D_A.png             图(01)  D/A
  
  不过,我们立即就想到:我们不能把D/A输出的电压加以放大么?如果放大器允许的输出电流比较大,就可以称之为程控电源了。
  LM1875是常用的AB类音频功率放大芯片,输出电压峰值可达25V以上,输出电流可达3A以上,最大正弦波输出功率可达20W。类似的音频功率放大芯片还有LM3886等。图(02)是LM1875的典型应用电路。

02 LM1875典型应用电路.png             图(02)  LM1875典型应用电路
  LM1875低频响应可达直流,所以能够放大D/A芯片输出的电压,并供出相当大的电流给负载。
  这类音频功率放大芯片的使用相当简单,其电压增益可以外加两个电阻来控制,所以与D/A芯片的联接也相当简单。图(03)是D/A芯片与LM1875联合使用构成的程控电源。

03 D_A扩展LM1875.png             图(03)  D_A扩展LM1875
  LM1875允许承受的最大电源电压为60V,图(03)中VDD到VSS建议不要超过50V。图中R1与R2之比决定了LM1875的电压增益。如果D/A输出最大值为5V,我们想要LM1875最大输出25V电压,那么R1/R2应该等于4(LM1875接成同相放大器,电压增益为1+R1/R2)。
  如果我们使用的D/A能够输出负电压,或者我们加上一个直流电压偏置使单向输出的D/A输出负电压,那么LM1785就可以输出对地为负的电压。通常,作为直流程控电源,并不需要输出负电压,所以这个功能是个累赘。
  使用LM1875这类音频功率放大芯片来制作程控电源,需要一个负电源VSS,绝大多数情况下这是个麻烦事。能不能不用这个负电源?
  如果只要求正电压输出,那么可以不用这个负电源VSS。当然,这种情况下也不能使用音频功率放大芯片来扩展D/A的输出。而要使用线性稳压芯片。
  以前,我们经常使用线性稳压芯片来为系统供电,常用的线性稳压芯片有LM7800系列、LM317等等。其中LM7800系列为固定输出电压的三端串联稳压芯片,LM317为可调输出电压的三端串联稳压芯片。
  LM317仅有三个引出端子,分别为Input、Output和Adjust,最大允许输入电压多数厂家规定为40V。LM317内部功能框图如图(04)。

04 LM317功能框图.png             图(04)  LM317功能框图
  可以看出,LM317内部具有一个1.25V的基准电压,有一个运算放大器,还有串联于输入和输出端的功率调整管。
  LM317内部的运算放大器如果工作于线性状态,那么两个输入端之间应该为“虚短”,即两个输入端之间电压为零。1.25V基准电压联接于运放同相输入端,而运放反相输入端联接到输出端。由此可见,LM317是个负反馈放大器,单端输出,输入端加上了一个1.25V的偏置电压。其内部功能是力图使Output端比Adjust端高1.25V。其典型应用电路如图(05)。

05 LM317典型应用电路.PNG             图(05)  LM317典型应用电路
  图(04)中,R1建议值为240Ω,这是因为Adjust端需要50uA的电流,为避免分压电阻中电流造成的误差,制造厂家要求R1中电流是Adjust电流的100倍。此电路输出电压为1.25V*(R1+R2)/R1。图中可见,调整R2数值即可调整输出电压。
  LM317与D/A联接也非常简单,如图(05)。D/A输出与LM317的Adjust端直接联接即可。Adjust端所需要的50uA电流,D/A芯片都能够提供。

06 LM317数字控制应用电路.png             图(06)  LM317数字控制应用电路
  图(05)Output端电压调整范围最小为1.25V(D/A输出为零时),最大为D/A输出电压最大值加1.25V。这个电压调整范围相当小。如果需要更大的输出电压调整范围,应该在D/A输出端加一级运放构成的放大器,将D/A输出放大到所需要的范围。此运放使用的电源最好可以与LM317共用,这样比较方便。

07 加放大的LM317数字控制应用电路.png             图(07)  D/A加放大的LM317数字控制应用电路
  显然,该运放应该采用“轨到轨”运放,如果不能“轨到轨”,至少要输出可以到电源负端。图(07)中,电阻R1和R2决定了放大倍数。
  之所以能够使用LM317构成如此简单的程控电源,是因为LM317相当于半个LM1875。之所以说是“半个”,乃是因为LM317仅能单向输出电流,而LM1875则可以双向输出电流。
  此电路够简单,但确实是数字电源,或者叫程控电源,因为图(07)所示电路确实是由数字控制输出电压的。不过,此电路也未免太简单,没有很大的应用价值。
  不过,这样的电路虽然简单,因为LM317是线性稳压,其损耗相当大。最大损耗发生在输出电流最大,输入电压最大而输出电压最小时(压差最大)。如果输出电压为1.25V,输入电压为37V,输出电流1.5A,那么LM317的功率耗散为53W。这么大的功率耗散,需要很大的散热器,而且效率仅为3%左右。这是很难接受的。
  我们立刻会想到:既然线性功率放大效率低,我们可以采用D类功率放大器。
  D类功率放大器实际上就是一个开关电源,只不过D类放大芯片是为音频放大专门设计的,但也可以用于程控电源。
  D类功率放大器有低电源电压、小功率输出的,例如德州仪器公司生产的TPA2011D1,5V电源电压,最大音频输出功率3.2W,也有较高电源电压、较大功率输出的,例如德州仪器公司生产的TPA3001D1,18V电源电压,最大音频功率输出20W。D类功率放大器模块输出功率可达1000W,使用±110V电源。
  TPA2011D1典型应用电路如图(08),比较简单。

08 TPA2011D1典型应用电路.png             图(08)  TPA2011D1典型应用电路
  但是,使用D类放大器制作程控电源,比较麻烦。有些D类放大器使用单电源,但这些D类放大器都是设计成H桥输出(上图中TPA2011D1就是这样)。这意味着这些D类放大器的负载与输入电源(上图中为VDD和GND)没有公共端,这并不符合我们对非隔离电源的要求,我们总是需要让负载的一端接地。
  其它D类放大器,某些型号使用双电源(正负电源),这种D类放大器允许负载接到正负电源中点,同时因为使用双电源,负载上的电压可正可负(如同线性功率放大器LM1875、LM3886)。不过,很少见对电源有如此要求,通常只要求电源输出一种极性的电压。正如前面讨论D/A扩展LM1875时所说,输出可正可负“这个功能是个累赘”。这些使用正负双电源的D类放大器,通常具有两路反相的输出,两路可以联接成H桥形式以提高输出功率,或者联接成单端形式构成立体声输出。然而作为电源,我们通常只要求一路输出,那么另一路就只能空置。D类放大器只利用了一半,造成浪费。
  D类放大器通常要求差分输入,而D/A通常是单端输出。所以,即使是要求输出可正可负的双极性电压,也需要把D/A输出的单端信号转换成差分信号。这可以用两个运放实现。
  使用D类放大器实现单极性输出,仍然需要使用双电源,成本上可能不合算(大功率D类放大器芯片比较贵,输入正负双电源也比单电源贵,如果只要求一路输出,D类放大器只能利用一半)。只有需要两路共地输出,且要求两路均可输出正负电压时,使用现成的D类放大器芯片或者模块才有优势。所以我们不再继续介绍使用D类放大器制作数字电源的电路。各位若有兴趣,我们再继续探讨。
  
  下面我们讨论使用普通的非隔离开关稳压芯片制作程控电源。
  我们常使用开关稳压芯片来为系统供电,典型的开关稳压芯片有LM2576、LM2596等非隔离降压式开关稳压芯片。这些是比较老的型号,当前德州仪器等厂家又推出了很多新型号,集成度更高,功能更齐全。
  图(09)是LM2576功能框图。

09 LM2576 功能框图1.png             图(09)  LM2576功能框图
  由图(09)可见,LM2576是一种非隔离降压式开关电路(也称Buck电路)。其输出端必须接有续流二极管D1(比较新型的Buck芯片已经把续流管做到芯片内部,并且采用同步方式控制电感的续流),输出的脉冲经电感L1和电容Cout滤波后才能够得到直流输出。LM2576经滤波后输出的直流电压Vout联接到芯片的FEEDBACK端,由FEEDBACK端经内部电阻R2和R1分压后与1.25V基准电压进行比较和放大,再控制PWM发生电路产生PWM波,控制输出功率管输出PWM脉冲。所以,整个LM2576包括电感L1和电容Cout就是一个负反馈放大器。
  LM2596功能框图与LM2576完全相同。以后我们也常用LM2596来举例。
  图(10)就是使用LM2596-ADJ来扩展D/A的电路。
  从图(09)中我们知道,LM2576或者LM2596有多种版本,有输出5V的,有输出12V的,有输出15V的,也有输出电压可调整的。这几种版本不同之处仅在于FEED-BACK端内部电阻R1和R2数值不同。
  我们使用LM2576或者LM2596来制作程控电源,显然应该使用ADJ版本的芯片,控制信号应该从FEED-BACK引脚输入。
  由图(04)可知,LM317输出端在芯片内部已经联接到片内运算放大器的反相输入端,形成了反馈环路。但LM2596如图(09)所示却并非如此。输出端并未联接到芯片内部运算放大器,而是通过FEED-BACK联接到片内运算放大器的同相输入端,与此同时,片内1.23V基准联接到了片内运算放大器的反相输入端。
  在图(06)和图(07)中,D/A输出或者经放大后的D/A输出与LM317片内基准叠加,作为片内运算放大器的输入。但在使用LM2596情况下却不能这么办。因为LM2596片内1.23V基准已经接地,片内运放的反相输入端也已经接到了基准电压上。我们需要将LM2596输出电压与D/A输出(也就是我们给出的调整值)之差送到FEED-BACK端。换句话说,我们必须做一次减法。做这个减法,当然需要使用一个运放来完成。
  图(10)就是使用D/A,再用一个运放做减法控制LM2596-ADJ输出电压的电路。

10 D_A扩展LM2576_2.png             图(10)  D_A扩展LM2596-ADJ
  在图(09)中可以看出:LM2596-ADJ内部运放(标注FIXED GAIN ERROR ANP)工作于线性放大状态,所以其同相输入端与反相输入端之间“虚短”,即FEED-BACK端必定对地是1.23V。图(10)中可以看出:运放Amp构成减法电路,输出端电压OUT经电阻R4和R3分压后得到的Uo减去D/A输出接到FEED-BACK端,我们用(D/A)表示数-模转换芯片输出电压,于是我们有:
  Uo(R1/R2+1)-(D/A)(R1/R2)=1.23V
  移项后
  Uo(R1/R2+1)=(D/A)(R1/R2)+1.23V
  所以
  Uo=(D/A)[R1/(R1+R2)]+1.23V[R2/(R1+R2)]
  注意Uo不是输出电压OUT,OUT经电阻R3和R4分压后才是Uo。
  所以,D/A输出为零时,LM2596-ADJ输出分压后Uo=1.23V[R2/(R1+R2)],而OUT端电压是Uo除以R3和R4的分压比,即OUT=Uo/[R4/(R3+R4)]。
  该电路中运放Amp最好采用输入电源电压VDD为正电源,这样电源供给比较简单。当然,必须Amp能够承受此电源电压才行。运放Amp最好采用轨到轨运放,至少采用输入共模电压允许到电源负端的运放,例如LM358。
  电阻R1和R2之比决定了运放Amp构成的减法器的电压增益。此电压增益一定要很小才行,而且尽量不造成附加相移。因为Amp构成的减法器是整个大环路的一部分,该减法器增益高了,有可能造成大环路反馈的不稳定,甚至产生振荡,这是我们绝对不希望看到的。同样,Amp构成的减法器带来的附加相移也可能造成大环路反馈的不稳定。所以,R1和R2之比最好为1,即R1=R2。R1和R2可以用数千欧。由前述Uo表达式,在R1=R2且D/A输出为零时,Uo=0.615V,即1.23V的一半。
  当然,类似电路也可以用于非隔离升压电路(Boost电路)芯片和非隔离极性反转电路(Buck-Boost电路)芯片。
  开关电源环路稳定性是个比较复杂的问题,尤其图(10)中滤波电感L和电容C2甚至负载都是环路的一部分,其相移会影响环路总相移,造成稳定性问题。LM2596的手册中给出了不同输入电压和不同负载下电感数值,如图(11)。

11 LM2596不同输出建议电感量.png             图(11)  建议电感量
  我们按照图(10)制作程控电源时,除了按照图(11)根据负载电流选择电感量之外,仍然可能遇到环路稳定性问题。在负载可能变化情况下,首先我们应该选择尽可能大的电感量,比图(11)中推荐的电感量更大,同时采用尽量大一些的Cout。若是使用了尽可能大的电感量后,你的程控开关电源仍然发生自激振荡,不妨在图(10)的R4两端并联一个够大的电容(更好的办法是与R4并联一个电容电阻串联支路),即可避免自激振荡。但这样会使程控开关电源响应变慢,即D/A输出变化了,而OUT端电压变化没有D/A输出变化那么快,而是比较缓慢地变化。当然,这是我们不希望的结果。但为了避免自激振荡,这是不得不付出的代价。至于更好的避免自激振荡的相位补偿方法,牵涉到反馈环路稳定性的计算分析,比较复杂,此处不再叙述。
  
  以上我们介绍了最简单的具有数字控制的非隔离电源,其中数字信号仅控制一个D/A,此D/A输出作为一个现成电源的电压基准。至于其它形式的数字控制电源,我们下次再谈。

来源:EEWorld 模拟与混合信号板块,转载请附上链接


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纯净的硅(初级)

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发表于 2019-7-23 16:16 | 显示全部楼层

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