數(shù)字電源控制器與芯片應(yīng)用

1、數(shù)字電源基本特征

數(shù)字電源一直是系統(tǒng)架構(gòu)師與電源設(shè)計(jì)者的熱門話題。由于電源管理業(yè)在不斷發(fā)展，而數(shù)字電源正是發(fā)展的重要一環(huán)。那么，什么是真正的數(shù)字電源，它又能帶來什么直接的好處呢?目前公認(rèn)的數(shù)字電源定義是：提供監(jiān)控與配置功能，使用數(shù)字算法擴(kuò)展至全環(huán)路控制的數(shù)字控制電源產(chǎn)品。因此，數(shù)字電源必須執(zhí)行的電源管理功能可以保留在模擬區(qū)域，也可以轉(zhuǎn)移至數(shù)字區(qū)域。數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。數(shù)字電源組成包括好幾個(gè)部分，典型的產(chǎn)品由數(shù)字電源驅(qū)動器，數(shù)字電源PWM控制器和高分辨率數(shù)字控制器三部分組成．該電源管理產(chǎn)品專門支持從AC線到負(fù)載點(diǎn)，包括不間斷電源(UPS)、服務(wù)器、電信、數(shù)據(jù)中心及VRM應(yīng)用的隔離與非隔離式解決方案。圖1所示為數(shù)字電源是由基本模塊構(gòu)成的。

圖1中某些模塊執(zhí)行模擬功能，如驅(qū)動器模塊，而另一些模塊如DSP等則執(zhí)行數(shù)字功能。數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。那么，數(shù)字電源它又能帶來什么直接的好處呢?

1.1、數(shù)字電源組成主要優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字化閉環(huán)是數(shù)字電源迄今最復(fù)雜的部分。腦中躍出的第一個(gè)問題是：為什么要用數(shù)字控制，使用模擬控制環(huán)路的SMPS(開關(guān)模式電源系統(tǒng))不是挺好嗎?模擬控制環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確、工程師對自己設(shè)計(jì)的理解，以及有極多模擬控制IC的支持。然而，模擬控制環(huán)路是面向一個(gè)定義范圍狹窄的特定負(fù)載。如果負(fù)載變化范圍寬，則很難在負(fù)載的整個(gè)變化范圍內(nèi)調(diào)整模擬環(huán)路。

如果使用一個(gè)真正的數(shù)字控制器，則設(shè)計(jì)者可以將數(shù)值放在寄存器內(nèi)，對控制器的各個(gè)方面作配置，而無需改變外部的硬件。設(shè)計(jì)者只需要工作在PC的GUI(圖形用戶界面-從圖2(b)所示可見)上，就可以更快地優(yōu)化和調(diào)試系統(tǒng)，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下?？梢匀サ裟承┰?，或使用較廉價(jià)的無源元件，從而補(bǔ)償處理器的成本．產(chǎn)生電源精度的本身是模擬功能。然而，當(dāng)你擁有了這種數(shù)字能力時(shí)，就不用制造有絕對精度的部件，而可以制造精度較差的部件，然后用數(shù)字控制來校準(zhǔn)這些誤差。這與信號調(diào)節(jié)發(fā)生的情況類似。但數(shù)字控制環(huán)路需要一個(gè)速度相對較快而功能強(qiáng)大的處理器，這在錙銹必較的電源子系統(tǒng)中是一個(gè)缺陷。

然而數(shù)字電源的作用并不只是數(shù)字式地閉鎖控制環(huán)路。它還包括管理與通信功能，這在數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中正變得日益重要。這些系統(tǒng)依賴于能應(yīng)付多種電壓線路的電源處理器，這些電壓線路必須以設(shè)定的順序完成上電和斷電。

概括數(shù)字電源的主要優(yōu)點(diǎn)：更大的靈活性，能加快設(shè)計(jì)產(chǎn)品的上市進(jìn)程；提高供電性能；使系統(tǒng)溝通成為可能，如遠(yuǎn)程偵測等；器件數(shù)量減少，因而系統(tǒng)成本低廉。之所以采用而數(shù)字電源解決方案，是因該解決方案具有如下優(yōu)點(diǎn)，即可編程序，使用簡便，精確度高，集成化強(qiáng)，通用開發(fā)平臺及支持電流及未來的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2、關(guān)于數(shù)字電源的軟件支持 數(shù)字電源控制需要軟件支持，如UCD95K和UCD91K的數(shù)字電源控制器由CodeComposeStudio公司的IDE軟件支持，它是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，可提供主要的開發(fā)工具以減少開發(fā)時(shí)間和工作量。其PMBus(電源管理總線)工具也成為數(shù)字電源客戶支持的一部分。因?yàn)樾碌腜MBus通信執(zhí)協(xié)議已經(jīng)開發(fā)成功用于系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間的主板和支架(board-and-shelf)通信。另外，參照設(shè)計(jì)是由圖形用戶界面(GUI)和源代碼實(shí)例支持，以加數(shù)字電源的設(shè)計(jì)和評估。

1.3、值此以UCD9111，UCD9112為例對數(shù)字脈寬調(diào)制控制器基本架構(gòu)作介紹

當(dāng)今數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9K提供了全數(shù)字的電源管理能力，可關(guān)閉數(shù)字域內(nèi)的多個(gè)反饋回路以及用于集成監(jiān)控、通信、配置及監(jiān)測的相關(guān)．以UCD9111，UCD9112為例討論基本架構(gòu)UCD9111，UCD9112隸屬于UCD9K系列．UCD9111單相UCD9111與雙相UCD9112控制器采用175ps分辨率的數(shù)字脈寬調(diào)制器(PWM)，并可通過圖形用戶界面GUI)進(jìn)行全面配置，從而無需單獨(dú)進(jìn)行軟件編程即可對負(fù)載點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行監(jiān)控與管理。GUI配置功能使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)﹄娫措妷?、電流閾值與響應(yīng)、軟啟動、容限、環(huán)路補(bǔ)償以及眾多的其它功能進(jìn)行智能管理。圖2(a)為UCD9111／12結(jié)構(gòu)示意框圖。

*主要特點(diǎn)為：數(shù)字同步壓降PWM控制器，PWM分辨率為175ps；數(shù)字控制，帶可編程PID補(bǔ)償；VouT可調(diào)．從Vin的1％至99％；可編程設(shè)定轉(zhuǎn)換頻率，最高可達(dá)2MHz／相位；可編程軟件啟動及軟件停止；可支持預(yù)先偏置輸出；0.5％內(nèi)置微調(diào)800mV基準(zhǔn)；Vin可調(diào)，從4.5～15.5V(UCD7230)；遙感差分放大器；通過PMBus總線實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控；單偏壓供電(3.3VVdd)；直觀的圖形用戶界面；內(nèi)置熱傳感器；具有PMBus支持。

*圖形用戶界面(GUI)為：UCD9111／2提供了一個(gè)直觀的圖形用戶界面，簡化了設(shè)計(jì)(見圖2(b)所示)，可顯示轉(zhuǎn)換器的電流狀態(tài)。該器件還支持PMBus指令。

*圖形用戶界面的主要功能：PID系數(shù)編程；POL開啟／關(guān)閉ON／OFF；Vout設(shè)定值；轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換頻率設(shè)定；輸出電壓軟件啟動及軟件停止；故障門限配置；制造信息

2、數(shù)字電源中關(guān)于電源控制和電源管理之間的區(qū)別．

*關(guān)于電源控制和電源管理概念

使用"電源控制"術(shù)語來強(qiáng)調(diào)電源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的控制功能，尤其是個(gè)體內(nèi)部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內(nèi)部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應(yīng)的開關(guān)頻率實(shí)時(shí)監(jiān)控中起到作用。這種類型的控制功能可以由模擬或者數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，電源供應(yīng)系統(tǒng)無論采用哪種方式，呈現(xiàn)給最終用戶的表現(xiàn)是基本一致的。這就是說，數(shù)字電源的使用不要求最終用戶做任何改變和新的設(shè)計(jì)。

相應(yīng)的， "電源管理"是關(guān)于一個(gè)或多個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)之外的通訊和控制。包括電源系統(tǒng)配置，單個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)控，以及故障監(jiān)測信息傳送等。電源管理功能不是實(shí)時(shí)的，它們在一定的時(shí)間范圍內(nèi)起作用，要慢于電源供應(yīng)系統(tǒng)的開關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數(shù)字技術(shù)結(jié)合。例如，電阻器通常用于調(diào)整輸出電壓，而給每個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)的電源排序則需要專線控制。數(shù)字電源管理意味著這些功能全部使用數(shù)字技術(shù)。此外，簡化互連方式應(yīng)用在某些類型的數(shù)據(jù)通信母線結(jié)構(gòu)，優(yōu)于在每個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)之間使用多種定制的互連手段進(jìn)行排序和糾錯(cuò)。由此引出電源供電定序器技術(shù)應(yīng)作討論。

*據(jù)此對電源供電定序器芯片作分析

以UCD9080為例，單個(gè)UCD9080電源供電定序器控可控制多達(dá)8組電壓軌(見圖所示的Rail0-7)及3個(gè)獨(dú)立數(shù)字I／O口的電源次序。該器件無需外置存儲器，采用單個(gè)3.3V電源支持運(yùn)作。UCD9080采用20kHz的采樣率及3.5mV分辨率對所有的電壓軌進(jìn)行監(jiān)控，擁有強(qiáng)大的可配置能力，可實(shí)現(xiàn)對電源軌通電(powerup)及斷電(powerdown)的定序。UCD9080還包括了其他選項(xiàng)，例如錯(cuò)誤狀態(tài)下(如電源軌失效)的再定序(resequeRce)。電源軌再定序可基于定時(shí)事件(timedevent)或基于與定時(shí)事件相關(guān)聯(lián)的其他電源軌，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。并且，每條電源軌都可實(shí)現(xiàn)對毛刺脈沖(gtitch)、低壓及過壓限侵害的監(jiān)測。所監(jiān)測的每條電源軌還可通過配置窗口設(shè)定以實(shí)現(xiàn)對其他電源軌的關(guān)斷。圖3為電源供電定序器UCD9080功能引腳示意圖．

其主要特點(diǎn)．

單片設(shè)計(jì)，3.3V供電運(yùn)行；額外的GPIOs，帶有設(shè)備復(fù)位控制、發(fā)光二極管控制等；有低壓及超壓監(jiān)控；可通過運(yùn)用Interdependency，實(shí)現(xiàn)快速靈活的關(guān)閉功能；通過接口提供錯(cuò)誤記錄和狀態(tài)監(jiān)控；有閃存中的非揮發(fā)性錯(cuò)誤記錄存儲功能，可以用于關(guān)鍵供電失敗時(shí)的現(xiàn)場調(diào)試；可以配置的排序功能，過壓／低心壓閾值、關(guān)閉回應(yīng)；操作簡單的Windows操作系統(tǒng)圖形用戶界面。

而UCD9080定序配置，應(yīng)有以下內(nèi)容。靈活的定序選項(xiàng)包括，基于時(shí)間和其它電源軌實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓后定序(附加時(shí)間)及其它電源軌達(dá)到確定電壓值后定序；通電及斷電定序；可配置電壓軌從屬性(dependency)。

3、分析數(shù)字電源控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

了解模擬控制回路。圖4(a)為脈寬調(diào)制芯片提供了典型的原邊模擬控制回路示意圖。

電源的輸出電壓由一個(gè)阻性分壓器件采樣后送入誤差放大器與直流標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個(gè)信號反饋到脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導(dǎo)體器件(一般為MOS管)的"導(dǎo)通時(shí)間"。因?yàn)镸OS管的輸入門電容較大，驅(qū)動電路便能有效地開關(guān)它們。一般使用一個(gè)固定的阻容網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償控制回路，以確保電源動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定度之間的合理平衡。

電源的另外兩個(gè)主要部分就是輸入輸出的濾波網(wǎng)絡(luò)。它們通常由電感、電容和電阻組成并提供多種功能。輸入濾波部分保護(hù)電源不受輸入電壓跳變的影響，在負(fù)載跳變時(shí)提供儲能，同時(shí)和外部濾波電路一起使電源滿足輸入傳導(dǎo)電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿足紋波噪聲的指標(biāo)，同時(shí)也幫助電源儲能以滿足負(fù)載的動態(tài)電流要求。重要的是，無論是模擬或數(shù)字控制架構(gòu)，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會保留一致。

*數(shù)字電源控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。圖4(b)為數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

輸出電壓的遙測與模擬系統(tǒng)相似。但是數(shù)字控制系統(tǒng)中使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代了模擬控制系統(tǒng)中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓，知道其它模擬參數(shù)也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當(dāng)然使用多個(gè)分開的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠測量各個(gè)參數(shù)，但是一般使用一個(gè)前置多路復(fù)用器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會更經(jīng)濟(jì)。復(fù)用器會在各個(gè)測得的模擬參數(shù)之間切換并將其按序(并-串)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

由于多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率是固定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每一個(gè)參數(shù)輸出一系列數(shù)字，每一系列數(shù)字是由一個(gè)已知的周期分開。這些數(shù)值提供給一個(gè)微處理器，為系統(tǒng)提供了工作流程。板子上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運(yùn)算法，用于執(zhí)行一系列基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果是一些參數(shù)，例如誤差信號，驅(qū)動極所需的脈寬，針對各種驅(qū)動輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)。模擬系統(tǒng)中外部環(huán)路補(bǔ)償元件就不再需要了。生產(chǎn)過程中，參數(shù)的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲在非易失性存儲器里，或者在系統(tǒng)啟動時(shí)可以下載到數(shù)據(jù)存儲器中。 *模擬控制和數(shù)字控制的比較．

和模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)輸入和負(fù)載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個(gè)給定的控制參數(shù)配置一個(gè)折衷的設(shè)置，然而數(shù)字控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境作用下改變控制參數(shù)。例如，在同步的負(fù)載點(diǎn)(POL)降壓型的穩(wěn)壓器里，死區(qū)時(shí)間保證了上端和下端的場效應(yīng)晶體管永遠(yuǎn)不會同時(shí)工作。模擬控制系統(tǒng)為最惡劣的工作條件，采用了固定的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)去設(shè)置死區(qū)時(shí)間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個(gè)死區(qū)時(shí)間比需要的時(shí)間長，從而降低了轉(zhuǎn)換器的效率。通過對比，一個(gè)數(shù)字控制環(huán)可以根據(jù)工作環(huán)境動態(tài)的變化死區(qū)時(shí)間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

4、新型數(shù)字電源與芯片特征及應(yīng)用

4.1 UCD7K數(shù)字電源驅(qū)動器.UCD7K驅(qū)動器不僅作為數(shù)宇控制器與電源極(poweFstage)間的接口，還提供電源保護(hù)以及用于數(shù)字控制器的偏壓。UCD7K為新一代的數(shù)字電源設(shè)備驅(qū)動器，已經(jīng)集成了以全時(shí)模式保護(hù)功率級的安全電路。另外，這些專用驅(qū)動器還集成了許多特殊的功能，如線性調(diào)節(jié)器及運(yùn)算放大器等，以便為數(shù)字控制器供電，并幫助進(jìn)行信號調(diào)節(jié)。

圖5所示為UCD7K驅(qū)動器與數(shù)字電源控制器與功率級相接示意圖，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)與偏置電源管理示意圖。

圖5右蘭色框圖為UCD7K組成框圖，它由3.3V線性調(diào)節(jié)器與驅(qū)動器及模擬脈沖限流軍等3部分合成．而圖5左灰色框圖為數(shù)字電源控制器組成框圖。UCD7K系列器件中還包了含精度為1％、電壓為3.3V、電流為10mA的線性穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在作為參考電壓的同時(shí)又為數(shù)字控制器供電。

UCD7K驅(qū)動器主要特征為；高電流柵極驅(qū)動器，可編程旗模擬脈沖限流及板上3.3V10mA線性穩(wěn)壓器。其優(yōu)點(diǎn)為：能與功率級相接；具有故障保護(hù)及靈活的過載保護(hù)；能為數(shù)字控制器提供電源。

*UCD7K驅(qū)動器功能分析。

集成的超快速電流限制功能

UCD7KMOSFET驅(qū)動器接收到來自數(shù)字控制器的邏輯電平輸入信號，然后將其轉(zhuǎn)換為土4A的高電流MOSFET柵極驅(qū)動信號，并連接至功率級。該驅(qū)動器提供了具有可編程閾值及數(shù)字輸出電流限制標(biāo)記的周期性電流限制功能，主機(jī)控制器通過監(jiān)測電流標(biāo)記可以選擇合適的算法，并得出所需的限流配置參數(shù)(Profile)。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)不能及時(shí)針對故障作出響應(yīng)的情況時(shí)(極少發(fā)生)，該項(xiàng)快速(25ns)周期性電流限制保護(hù)功能就會關(guān)閉功率級。

本地過電流保護(hù)功能的主要優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)數(shù)字控制器中的軟件代碼損壞或終止運(yùn)行時(shí)，UCD7K器件能對功率級提供保護(hù)。如果控制器PWM輸出保持高電流，本地電流檢測電路將在出現(xiàn)過電流情況時(shí)關(guān)閉驅(qū)動器輸出。系統(tǒng)很可能進(jìn)入重試模式，因?yàn)榇蠖鄶?shù)DSP及微控制器均配備有板上看門狗和掉電復(fù)位等監(jiān)控外設(shè)，可以在運(yùn)行不正常時(shí)重新啟動器件。但是這些外設(shè)的反應(yīng)速度通常較慢，無法保護(hù)功率級不受損壞。UCD7K的電流限制比較器為功率級提供了所需的快速保護(hù)功能。

通過在電流限制(1LIM)引腳施加所需的閾值電壓，可在0.25V～1.0V的范圍內(nèi)隨意設(shè)置電流限制閾值?？梢允褂秒娮璺謮浩骰蛘邤?shù)字控制器加數(shù)模轉(zhuǎn)換器來施加該電壓。在任何情況下，最大閾值電壓已在內(nèi)部限定為1.0V，而外部電壓設(shè)定超過1.0V時(shí)無效，這就為D／A轉(zhuǎn)換器損壞時(shí)提供了另一種保護(hù)功能。

UCD7K的TrueDrive輸出架構(gòu)．

TrueDrive輸出架構(gòu)對于快速開關(guān)速度，UCD7K驅(qū)動器的輸出使用TrueDrive輸出架構(gòu)，在開關(guān)交換的"米勒"平坦區(qū)期間，這個(gè)架構(gòu)向MOSFET的柵極輸入土4A的額定電流。TrueDrive包含由雙極性管和MOSFET管并聯(lián)組成的上拉／下拉電路。

4.32數(shù)宇控制同步壓降。±4A驅(qū)動器特征

以UCD7230為例。UCD7230隸屬于UCD7K系列數(shù)字控制兼容驅(qū)動器，可用于采用了數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用或是需求快速局部峰值電流限制保護(hù)的應(yīng)用。UCD7230是同步壓降、4AMOSFET門驅(qū)動器。該器件極為適用于提供數(shù)字控制器間的橋接，例如UCD9K同步壓降控器，圖6為UCD7230原理框圖。

UCD7230器件具有快速的25ns逐周期(cycleby-cycle)電流限制保護(hù)，可保護(hù)電源極免受不恰當(dāng)輸入或過載電流的損害。UCD7230是具有大電流，高側(cè)(high-side)及低側(cè)(Iowoside)的4A驅(qū)動器，采用了TI的TrueDrive輸出架構(gòu)。該架構(gòu)在開關(guān)轉(zhuǎn)換的米勒上升區(qū)間向MOSFET的門電容輸出額定的電流，從而獲得了更快的轉(zhuǎn)換速率。其主要特點(diǎn)：為2MHz轉(zhuǎn)換頻率，雙限流保護(hù)，快速的電流感應(yīng)電路，傳播延遲僅為25ns；具有低失調(diào)。高增益差分電流感應(yīng)放大器；具有3.3V10mA內(nèi)部穩(wěn)壓器；具有+4ATrueDrive大電流驅(qū)動器；22nF負(fù)載時(shí)，上升下降時(shí)間為10nS(典型值)；具有數(shù)字輸出電流限制標(biāo)志位；為45v～155V電源電壓范圍。

圖7為應(yīng)用UCD7230數(shù)字控制同步壓降與數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112相接構(gòu)成數(shù)字轉(zhuǎn)換器示意框圖。它反映了新型數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112需要具備智能型集成MOSFET驅(qū)動器的UCD7230支持。