「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。


![20160415 DC TA 01FIG1](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/YjUqU9hnUc8w6OAeQMSqM/9035e8b59a60424d439ba11d9dfa6e81/20160415_DC_TA_01FIG1.jpg)
圖1 數位控制器中精確的事件計數控制。



![20160415 DC TA 01FIG2](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/6p8wKCK08024OCaUqsommO/8552d4f92fe5dc6ca15257e3b09b50e7/20160415_DC_TA_01FIG2.jpg)
圖2 以數位控制器實現Brownout+時間控制。

使用者定義的控制模式

類比控制器一旦被設計完成後,除非控制器進行改版 ,否則其所能執行的功能就被確立下來,而使用者也只能接受控制器所提供的功能,若需要額外的功能,則使用者只能必須使用額外的電路來達成所需要的功能,致使原本控制器所希望達到盡可能減少PCB使用面積及週邊零件數量的目標打了折扣。


如圖3(a)所示,為類比PFC控制器的PFC輸出電壓回授/控制電路方塊圖,傳統上PFC輸出電壓偵測/控制電路不僅只執行輸出電壓控制,也會結合比較器做輸出電壓的過電壓/欠電壓保護及偵測電路的開迴路保護;然而上述的幾項保護模式,都仰賴於控制器設計者在設計初始能以周全的想法,將所有可能的功能加入電路中。


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圖 3 (a)類比式 PFC控制器之輸出電壓回授 /控制方塊圖、(b)數位式 PFC控制器之輸出電壓回授/控制方塊圖。



此外,每加多一個保護功能,電路的方塊也會因此增加一個。不同於類比控制器,如圖3(b)所示,為數位控制器之PFC輸出電壓偵測/控制電路,PFC的輸出電壓值,在ADC轉換後透過控制器內部的多工器送至控制器的處理器,可由不同的程式賦予控制器針對不同PFC輸出電壓回授值,進行不同的工作,使系統更優化。


在數位式電源控制器中,尤其是在PFC+LLC的電路架構中,PFC的多重輸出電壓控制對於全機轉換器的優化,具有決定性的關鍵,如圖4所示,電源供應器從交流市電開始送電後,會有啟動、完成開機、負載變化及關機等不同的階段。


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圖4 切換式電源供應器在不同階段之PFC輸出電壓變化圖。



數位控制器能因應不同的階段及負載條件,具有不同的PFC輸出電壓及動態響應速度,能使電源供應器輸出有更穩定、更優越的表現。以下,將PFC的工作模式及輸出電壓設定值分為五個部份說明。


(a)啟動階段:柔性啟動到完成開機過程中採用PFC二段式輸出電壓控制,無論交流市電輸入電壓值為何,柔性啟動過程中採用較低PFC輸出電壓,在各種可能的起始負載條件或是極大的電容負載,都能夠穩定LLC轉換器之輸出電壓值,使輸出電壓在柔性啟動時,不至於有過大電壓尖波(overshoot)的產生,待啟動過程結束,依照負載條件調整PFC之輸出電壓值;最大導通時間(maximum ON-Time,Ton)的功能,能有效地限制了開機時的輸入電流峰值,減少開機時的噪音及零件上的電流應力;此外,控制器能依照PFC的輸出電壓,在完成開機後,透過光耦器送出PGI(Power Good signal Input)訊號至次級側的系統監控器(Supervisor IC)。


(b)輕載→重載階段:一般而言,在穩態工作下,PFC電壓迴路的響應速度較慢,以達到較佳的功率因數值,但此一特點,往往使PFC輸出電壓在當負載由輕載轉變為重載時,PFC輸出電壓會滑落至較低的準位,動態響應增強模式(Dynamic Enhance),在系統的負載忽然由輕變重,PFC電壓低於正常的電壓值範圍時,暫時加快PFC的電路迴路響應速度,使PFC輸出電壓能夠快速由較低的電壓值回復至正常的電壓值範圍,達到穩定輸出電壓的目的。


(c)不同負載下的PFC電壓調整:設計者可以自行依不同的負載條件以及工作模式,調整PFC的輸出電壓,使後級的LLC轉換器能夠工作在最佳效能的工作點,如圖5所示,可以在當負載電流變化時,在設定的時間內,調整PFC輸出電壓。


![20160415 DC TA 01FIG5](//images.contentful.com/644o4pfp4ld4/6eKHuvq3YIeKm8cSWomQGU/de7e51ca3fc1780f2ba0db640c658fba/20160415_DC_TA_01FIG5.jpg)
圖5 依不同負載條件,PFC在特定時間內進行電壓調整。



(d)重載→輕載階段:大多數切換式電源的負載都不是一直操作的固定的負載條件,當負載由重載變成輕載,或是輸入電源由低輸入電壓提高至高輸入電壓時,會造成瞬間PFC的輸出電壓過高,此時會暫時停止對功率元件的驅動訊號,以穩定輸出電壓,等到PFC輸出電壓回復後,才繼續產生PFC驅動訊號。


(e)關機階段:在交流電源關掉後,控制器能持續判斷PFC輸出電壓,在預設的PFC輸出電壓準位,能夠關閉傳送到監控IC的PGI訊號,用於關閉PGO訊號,並能關斷LLC轉換器的控制訊號,完成開機程式。


全負載範圍效率的提升

以往某些應用於切換式電源供應器的國際規範如80PULS,針對筆記型電腦、桌上型電腦、伺服器的電源供應器,在各種額定負載條件均有訂定相對應的效率要求,如果無法符合這些規範的效率要求,相關的電源產品就無法銷售至特定地區。


然而現今用戶對電子產品長時間待機能力及更高效率的追求下,傳統的國際規範要求只能算是基本要求,目前部份的製造商已經針對額定負載20%以下,如3%、5%或是10%的效率提出要求。數位控制器提出了適當的控制方式,能滿足這些輕載條件下的效率要求,例如:


(a)PFC及LLC轉換器的叢發模式(burst mode):在不具有輔助電源的切換式電源供應器,如電源配接器(adapter)或是PC電源之中,要滿足其在待機模式的功率損耗,或是額定負載的3%/5%效率要求,適當的叢發模式控制扮演關鍵的角色,如圖6所示。設計者可以自行定義在叢發模式之中的切換頻率及脈波數量,筆者在數位控制器中,將每一LLC的叢發模式,分為三個部份:(1)採用以一較高的啟始切換頻率,用於抑制每一叢發模式控制的啟始電流,降低音頻雜訊;(2)其次使用一較低的切換頻率驅動訊號,用於達到快速補充能量的目的;(3)最後再採用較高的結束切換頻率訊號,用於達到穩定輸出電壓漣波的作用。這樣的作法,能夠同時滿足低待機功耗、低電壓漣波及低音頻雜訊的設計目標。


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圖6 應用於LLC電路的叢發模式控制。



(b)PFC的波谷計數切換(Valleycount switching):傳統的邊界模式控制(Boundary/Critical control mode),因其電路簡單,被廣泛應用於低功率範圍的切換式電源供應器的PFC控制,但在輕載條件之下,切換頻率經常會高達200kHz以上,造成全機效率不易提升。PFC的波谷計數切換技術,能夠使PFC不僅能夠有效降低在輕載條件下的切換頻率,也能夠如同邊界導通模式控制之中,減少 PFC電路中二極體逆向回復電流在功率電晶體上的損耗。在輕載條件下,可以利用波谷計數切換技術,將波谷計數切換設定值提高,能降低切換頻率,達到提高效率的目標。


(C)可變驅動電壓技術(Variable Gate Drive,VGD):可變驅動電壓技術在數位控制器中,能針對功率電晶體依不同負載條件,調整驅動電壓準位的控制技術,當系統處於無/輕載狀態,有效降低如MOSFET的功率晶體元件驅動損耗,也是提升效率的關鍵之一;若能偵測負載變化狀態,並能即時調整數位控制器之驅動電壓準位,能更進一步提升整體電源系統之應用效率。


結論

數位電源雖然有許多以上所提的優點,但在實際設計與應用方面也有其限制,包括:IC內部ADC量化效應、取樣頻率限制的頻寬、取樣雜訊、計算延遲等等。從系統的角度來看,切換式電源供應器採用數位控制器的最大優點,是能依照系統規格,利用控制器本身具有的功能及設計者的設計邏輯,以最簡單的外部電路實現,提供最大的設計彈性。


本文藉由幾個範例,簡單描述了採用英飛凌所開發的數位控制器DP2B,來實現所規劃的控制功能,達到了數位控制器所提供之能「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」等目的,採用此控制器應用於無輔助電源之切換式電源供應器,無論在待機功耗、效率及音訊雜訊等系統要求,均能滿足客戶目的;此外,零件數量的有效減少,更能進一步提高系統功率密度的要求,達到高效能的優勢。