数字控制环路的低延迟信号链设计方案

简介

电源等闭环系统采用具有控制逻辑的反馈环路。控制算法可以使用模拟或数字电路来实现。模拟控制环路使用固定的电路硬件，因此能够优化特定负载的控制反馈。相比之下，数字控制环路可以针对各种负载进行优化。此外，由于数字控制环路不容易受到无源元件容差的影响，因此数字控制环路可提供更高的精度。

本文讨论了一种低延迟控制电路，该电路使用模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 来实现数字控制环路。文中分别讨论了针对电流和电压测量进行优化的反馈电路。

数字控制环路

数字控制环路通过模数转换器 (ADC) 进行感应，利用处理器或 FPGA 进行控制，并通过数模转换器 (DAC) 来调节实验室仪器（例如电源、源测量单元和电子负载）的输出。仪器中数字控制环路的主要目标是，在负载条件或输入电压发生变化时保持稳定的输出电压或电流。可以根据负载调整控制算法，尽可能缩短仪器输出的稳定时间。

仪器中的典型数字控制环路包括以下元件，如图 1 中所示：

1.测量单元：该元件测量仪器的输出电压和/或电流，并将测量值转换为可由控制器处理的数字信号。

2.控制器：控制器接收仪器输出的数字测量结果，并计算误差信号，即测得的输出与参考信号之间的差异。然后，由控制算法对误差信号进行处理，以便确定需要应用于仪器的控制输入。

3.控制算法：该元件处理错误信号，以便确定应用于仪器的控制输入。该控制算法可以基于简单的比例积分微分(PID) 控制器，或更复杂的控制算法（如线性或非线性控制器）。

4.数模转换器 (DAC)：DAC 负责将数字控制信号转换为可应用于仪器的模拟信号。

图 1. 数字控制环路方框图

数字控制环路的稳定时间或响应时间取决于控制算法调整 DAC 输入来补偿输出电压变化的速度。

调整 DAC 输出电压的总延迟包括以下几部分：

1. 测量单元测量输出信号所需的时间

2. 控制算法为 DAC 生成新设置所需的时间

3. DAC 输出稳定至所需精度所需的时间

为了尽可能减少输入信号与控制环路响应之间的延迟，测量路径中需要一个用于测量电流和电压的低延迟信号链。

测量单元信号链的主要规格如下：

1.直流精度：由于测量信号用于调节 DAC 输出信号，因此精确的测量单元可提高系统精度。

2.宽模拟带宽：这使系统能够快速响应输入信号中的瞬变和负载变化。

电流反馈信号链

如图 2 所示，电流反馈路径由一个精密分流电阻器、一个电流检测或仪表放大器以及一个低延迟精密模数转换器组成。

图 2. 电流反馈电路

示例电路使用了INA851 和 ADS9219。INA851 是一款具有全差分输出的低噪声、高速仪表放大器。图 3 和图 4分别显示了该电路在过采样率 (OSR) 为 1 和 16 时的直流直方图和阶跃稳定图。

图 3. 电流反馈电路直流直方图

图 4. OSR = 1 和 OSR = 16 时的电流反馈电路阶跃稳定

表 1. 电流反馈电路直流直方图结果

电压反馈信号链

如图 5 所示，电压反馈路径由一个可编程增益放大器 (PGA) 和一个低延迟精密 ADC 组成。

图 5. 电压反馈电路

示例电路使用了PGA855 和 ADS9219。PGA855 是一款具有全差分输出的低噪声、高带宽、精可编程增益仪表放大器。此电路的直流直方图和阶跃稳定图分别如图 6 和图 7 所示。

图 6. 电压反馈电路直流直方图

图 7. 电压反馈电路阶跃稳定

表 2. 电压反馈电路直流直方图结果

精密高速模数转换器

在图 2 和图 5 所示的两个电路中，ADS9219 用于准确快速地测量系统输出信号。通过将测得的模拟信号高速转换为数字值，ADC 有助于尽可能减少输入信号与控制器响应之间的延迟。低延迟 ADC 让系统能够快速准确地响应输入信号的变化，从而有助于提高控制环路的性能。

ADS9219 是一款基于逐次逼近寄存器 (SAR) 架构的 18 位 20MSPS ADC，可将模拟信号转换为以 50ns 为单位的数字值。控制器必须从 ADC 读取数值，此通信会增加 50ns 的时间。因此，控制器可以在 100ns 的总时间内从基于 ADS9219 的测量单元获取一个数字值。

ADC 的精度会影响仪器输出的精度。测量精度取决于测量单元中误差的热漂移和工作温度范围。测量中的偏移和增益误差可在仪器加电后使用校准电路进行校准，以便提高精度。ADS9219 的 18 位分辨率可实现高精度测量，如表 3 中所示。

表 3. ADS9219 的测量精度

结语

数字控制环路针对各种不同的负载进行了优化，与模拟控制环路相比，可实现更高精度的系统。为了启用数字控制环路，测量路径中需要高精度、高带宽信号链。INA851 和 PGA855是全差分仪表放大器，可与 ADS9219 配合使用来在数字控制环路中实现高带宽、高精度信号链。