數(shù)字電源淺析之一：數(shù)字電源的分類

數(shù)字電源有很多種形態(tài)，在幾乎所有的數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，一個共同的元素是具有通信總線，通?；赑MBus協(xié)議。

第一類數(shù)字電源可以執(zhí)行各種監(jiān)視和控制功能的管理IC，但是沒有嵌入在功率轉(zhuǎn)換器中。第二類是在帶有模擬控制回路的功率轉(zhuǎn)換器中嵌入數(shù)字通信，這通常被稱為“數(shù)字封包(digital wrapper)”。第三類是增加一個外部數(shù)字控制回路，以快速控制模擬回路。最后，還有全數(shù)字控制的功率轉(zhuǎn)換器，完全取消了模擬控制回路。

數(shù)字電源優(yōu)勢

通過采用先進的控制算法，數(shù)字電源可以動態(tài)地改變控制參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)輸入和負載的變化。此外的好處是，電源系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件可以合并成一個芯片。

模擬和數(shù)字電源控制的區(qū)別。(圖片：Microchip)

數(shù)字電源可以在多個操作模式下方方面面地優(yōu)化效率。對于PFC-Boost變換器，通過在較低的開關(guān)頻率下操作變換器，可以在較輕的負載時降低開關(guān)損耗。由于負載較輕，磁控技術(shù)仍能處理較低的開關(guān)頻率。如果采用了交錯式PFC變換器，則可以在輕負載下關(guān)斷一相。類似地，對于移相全橋變換器，通過關(guān)閉同步Mosfet的開關(guān)并使用體二極管，可以在輕負載下消除額外的開關(guān)損耗。

另一個例子是Buck變換器的應(yīng)用。同步Buck變換器通常是大電流輸出的首選。然而，使用同步MOSFET會在輕負載下產(chǎn)生循環(huán)電流，造成更高的損耗。因此，當(dāng)Buck變換器以不連續(xù)電流模式工作時，可以使同步/續(xù)流(free wheeling)MOSFET失效。

許多新技術(shù)可以在數(shù)字域中實現(xiàn)，這些技術(shù)幾乎不可能或太復(fù)雜而無法在模擬域中實現(xiàn)。一個例子是非線性控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。它還可以實時改變控制回路，動態(tài)地改變系統(tǒng)的工作條件，例如，改變輸入和輸出負載條件。

數(shù)字電源管理集成電路

數(shù)字電源管理芯片是數(shù)字電源的最基本形式。設(shè)備可用于實現(xiàn)各種電力系統(tǒng)管理功能，如提供單個DC/DC轉(zhuǎn)換器的增強監(jiān)視和控制的數(shù)字監(jiān)控器、具有數(shù)字監(jiān)控功能的熱插拔控制器、帶有PMBus接口的系統(tǒng)電源管理IC等等。

Vicor的D44TL1A0是一款數(shù)字電源系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器可以通過隔離的UART接口和最多四個具有PMBUS的BCM(Bus Converter Modules)進行通信。通過D44TL1A0，主處理器可以配置、設(shè)置保護限值和監(jiān)控每個BCM。

Maxim的MAX16545B/C是一款斷路器保護IC，集成低電阻MOSFET和無損電流檢測電路，具有PMBus/SMBus遙測功能，具有廣泛的狀態(tài)監(jiān)測和報告功能。該芯片旨在為系統(tǒng)12V電源的分配、控制、監(jiān)控和保護提供最佳解決方案。內(nèi)部LDO為保護IC提供偏置電源電壓。提供了三種過電流保護方法?？删幊痰闹械入妷篛CP電平允許在有限的時間內(nèi)抵抗浪涌電流。如果檢測到電流嚴重超過OCP閾值，用戶可使用OCP電平提供快速斷開連接。一個額外的固定高電壓關(guān)閉OCP提供瞬時斷開功能，以進一步保護設(shè)備。

具有PMBus控制引腳的MAX16545B/C斷路器保護IC的典型應(yīng)用電路。(圖片：Maxim)

針對熱插拔應(yīng)用，ADI提供了ADM1075，這是一種負電壓熱插拔控制器，具有恒定功率回退和高精度數(shù)字電流和電壓測量，允許安全地將電路板從帶電的?48V DC背板上插入或移除。該器件提供精確和穩(wěn)健的電流限制和保護，以防止瞬態(tài)和非瞬態(tài)短路以及過壓和欠壓保護。

電流、電壓和功率測量可以由PMBus命令啟動，可設(shè)置為連續(xù)運行模式。用戶可以在需要時讀取最新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。還提供了一個功率累加器來報告在用戶指定的時間段內(nèi)消耗的總功率(總能量)。

TI的LM25056A結(jié)合了高性能模擬和數(shù)字技術(shù)以及PMBus接口，可精確測量電氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括連接到背板電源總線的計算和存儲設(shè)備。該器件連續(xù)向系統(tǒng)管理主機提供實時的電源、電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)。

數(shù)字封包

數(shù)字封包以各種格式提供，從非常簡單的功率轉(zhuǎn)換器芯片到復(fù)雜的系統(tǒng)控制器。IR38063 PMBus SupIRBuck是英飛凌一款具有I2C/PMBus接口的全集成DC/DC調(diào)節(jié)器。IR38063可以通過PMBus進行綜合配置，配置存儲在系統(tǒng)中。此外，PMBus命令允許運行時控制、故障狀態(tài)檢測和遙測。IR38063還可以作為標(biāo)準(zhǔn)模擬調(diào)節(jié)器運行，無需任何編程，并且可以提供模擬輸出的電流和溫度遙測。

Microchip提供其數(shù)字增強功率模擬(DEPA)控制器，該控制器包含模擬控制回路和數(shù)字監(jiān)控，使用模擬基準(zhǔn)、放大器和PWM發(fā)生器調(diào)節(jié)輸出，同時由一個嵌入式8位MCU進行配置、監(jiān)控、測量和動態(tài)調(diào)整。這使得系統(tǒng)能夠報告遙測，動態(tài)地進行操作調(diào)整，并使用定制的、特定于應(yīng)用程序的代碼來響應(yīng)故障。如果沒有這種額外的集成，靈活、健壯的設(shè)計可能需要單獨的芯片來調(diào)節(jié)輸出，調(diào)整調(diào)節(jié)器的操作，測量結(jié)果，并在系統(tǒng)外部傳遞信息。

數(shù)字和模擬混合控制器

STNRGPF01是由ST開發(fā)的一種數(shù)字可配置ASIC，可在工業(yè)應(yīng)用的交錯PFC中驅(qū)動多達三個通道。STNRGPF01實現(xiàn)混合信號(模擬/數(shù)字)控制。電流內(nèi)環(huán)由硬件實現(xiàn)，電壓外環(huán)采用數(shù)字PI控制器。該器件對電壓和電流回路進行級聯(lián)控制，通過作用于電感總平均電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。模擬部分確保循環(huán)電流調(diào)節(jié)，而數(shù)字控制管理非實時操作。

STNRGPF01用于三相交錯PFC應(yīng)用，分為內(nèi)部模擬控制部分和外部數(shù)字控制部分。(圖片：ST)

STNRGPF01實現(xiàn)了一種靈活的切相策略，該策略能夠根據(jù)實際負載條件來實現(xiàn)正確的PFC通道。通過此功能，STNRGPF01始終能夠在各種負載電流要求下保證最高的功率效率。

Microchip基于其PIC MCU提供其核心獨立外圍(CIP core independent peripheral)混合電源控制器。這些MCU通過結(jié)合模擬和數(shù)字外圍設(shè)備的靈活性來實現(xiàn)功率控制的混合方法，這些外圍設(shè)備可以在運行時配置，使MCU能夠控制各種拓撲結(jié)構(gòu)。由于CIP被設(shè)計為獨立于內(nèi)核運行，因此它們釋放了CPU性能，來執(zhí)行通信和協(xié)調(diào)任務(wù)。一個控制器可以管理多達四個獨立的功率轉(zhuǎn)換階段。該解決方案設(shè)計用于管理智能固態(tài)照明、汽車和樓宇自動化的高級調(diào)光、電池充電、多級功率排序以及物聯(lián)網(wǎng)智能電源應(yīng)用。

純數(shù)字控制器

TI和英飛凌提供純基于Arm的數(shù)字控制器。UCD3138是TI的數(shù)字電源控制器，在單芯片解決方案中提供高集成度和高性能水平。UCD3138的靈活特性使其適用于各種功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。此外，設(shè)備內(nèi)部的多個外圍部件經(jīng)過專門優(yōu)化，以提高AC/DC和隔離DC/DC應(yīng)用程序的性能，并減少IT和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施解決方案的外圍元器件數(shù)量。

UCD3138控制器的核心是數(shù)字控制環(huán)路外圍設(shè)備，也稱為數(shù)字功率外圍設(shè)備(DPP)。每個DPP實現(xiàn)一個高速數(shù)字控制回路，包括一個專用的誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換器(EADC)、基于PID的2極/2零數(shù)字補償器和具有250ps脈沖寬度分辨率的DPWM輸出。該設(shè)備還包含一個12位267 ksps的通用ADC，最多有14個通道、定時器、中斷控制、PMBus和UART通信端口。

XDPP1100是英飛凌高集成和可編程數(shù)字電源控制器。該設(shè)備為具有隔離拓撲的48V DC/DC電源應(yīng)用提供了先進的控制解決方案。XDPP1100設(shè)備具有許多優(yōu)化的電源處理模塊和預(yù)先編程的外圍設(shè)備，以增強隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能，減少外圍組件，并將固件開發(fā)工作減至最少。

控制器還為系統(tǒng)通信、高級功率轉(zhuǎn)換和監(jiān)控提供精確遙測的PMBus接口。集成的電流傳感能力和緊湊的芯片尺寸(24pin 4平方毫米)可以通過取消各種周邊元件，而大大減小解決方案的尺寸。XDPP1100包括一個高性能模擬前端、基于狀態(tài)機的數(shù)字控制環(huán)路和一個Arm Cortex M0。