干货 | 一文搞懂具有数字控制功能的电源

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。　　
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。

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。　　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)。

图/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)。

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。　　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。　　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。

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。

图/ 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。　　
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)。

图/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。