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[導(dǎo)讀]引言電源設(shè)計和控制是電子設(shè)計的必要部分之一,電源穩(wěn)定是系統(tǒng)中大部分器件正常工作的前提。傳統(tǒng)的電源設(shè)計基于電源處理模塊芯片,這些芯片在設(shè)計之初就確定了一種固定的工

引言

電源設(shè)計和控制是電子設(shè)計的必要部分之一,電源穩(wěn)定是系統(tǒng)中大部分器件正常工作的前提。傳統(tǒng)的電源設(shè)計基于電源處理模塊芯片,這些芯片在設(shè)計之初就確定了一種固定的工作關(guān)系,包括輸入/輸出、電壓電流、紋波頻率、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù),工作過程中一直維持這種關(guān)系。傳統(tǒng)電源存在開關(guān)頻率低、頻率波動大、電磁干擾大、不能實時調(diào)節(jié)等問題。隨著電子器件的發(fā)展,近幾年推出的高性能芯片需要非常穩(wěn)定的電源才能正常工作,例如,多核DSP需要穩(wěn)定的電源才能很好地工作在其峰值時鐘頻率,DDR3也需要隨時調(diào)節(jié)的電源才能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)讀寫,100G網(wǎng)等高速接口對電源也提出干擾小的要求。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字控制技術(shù)逐漸被引入到電源設(shè)計中,數(shù)字電源相對模擬系統(tǒng)而言,在開關(guān)頻率中具有設(shè)計周期短、靈活多變、易實現(xiàn)模塊化管理、能夠消除因離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點。數(shù)字電源應(yīng)該具有以下幾個特點:①PWM的信號輸出由數(shù)字控制芯片提供;②控制環(huán)路的反饋計算工作由數(shù)字單元完成;③具有人機交互界面,便于信息的交換,而且可以實現(xiàn)電源輸出的可控和輸入的監(jiān)測;④留有通信總線接口,可方便實現(xiàn)群監(jiān)群控、冗余控制等。

TI公司推出的UCD系列數(shù)字電源套片,是一整套數(shù)字電源解決方案。這些套片主要含數(shù)字PWM波形控制芯片、電源驅(qū)動轉(zhuǎn)換芯片,以及復(fù)位和時延控制芯片。本文主要介紹數(shù)字PWM控制芯片UCD9222和電源驅(qū)動芯片UCD7242的使用,包括軟件和硬件設(shè)計。

1 總體設(shè)計

數(shù)字電源系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

實際硬件系統(tǒng)主要由數(shù)字PWM波形控制芯片UCD9222、電源驅(qū)動芯片UCD7242,以及相應(yīng)的由電感和電容組成的匹配網(wǎng)絡(luò)組成。圖1的設(shè)計可以提供兩路電源輸出,兩路電源完全獨立設(shè)置,相互之間沒有影響。電壓設(shè)置范圍為0.5~10 V,每路電流最高可以設(shè)置到10 A。利用圖形化編程軟件可以直接對硬件系統(tǒng)進行設(shè)置,并可以通過PMBus總線將編程后的數(shù)據(jù)下載到硬件運行,設(shè)置好后,下次啟動無需重新設(shè)置。

2 硬件設(shè)計

數(shù)字電源硬件系統(tǒng)主要由UCD9222和UCD7242組成。UCD9222為數(shù)字PWM波形控制芯片,可以提供2路多相同步數(shù)字PWM控制信號,2路PWM信號控制環(huán)路結(jié)構(gòu)完全一致,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出,UCD9222控制PWM信號的核心主要由電壓跟蹤環(huán)、電流跟蹤環(huán)和溫度跟蹤環(huán)組成。這3個環(huán)路的輸入信號分別為VinMon、LinMon和Templ,這3路信號經(jīng)過12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器(圖中ADC1)在260 ksps頻率下采樣,采樣后數(shù)字信號經(jīng)過比較器,比較器輸出來控制補償濾波器IIR,高濾波器為3極點和3零點濾波器,具有較多的線性相位。補償濾波器在ARM控制下輸出高分辨率的PWM波形,通過有效改變PWM波形來實現(xiàn)對電壓驅(qū)動芯片UCD7242的控制,來調(diào)整UCD7242的輸出電壓和電流,實現(xiàn)電源的數(shù)字控制。

UCD9222內(nèi)部集成一個6位的低速A/D轉(zhuǎn)換器(圖中ADC2),實現(xiàn)對輸出電壓EAP1/EAN1的反饋跟蹤。內(nèi)部溫度感應(yīng)器感知芯片溫度變化,提供超范圍溫度的輸出功率關(guān)斷功能,避免錯誤情況下輸出高功率,燒毀器件。

UCD9222整個芯片的管理由內(nèi)部ARM核完成。該ARM核程序固定,用戶不能操作。用戶唯一可以操作的是配置UCD9222的各種參數(shù),這些參數(shù)主要包括輸出電壓、輸出電流,以及各種控制參數(shù)。這些參數(shù)都可以通過UCD9222的軟件配置工具Fusion Design來完成,配置后的軟件通過PMBus總線接口燒寫到UCD9222的內(nèi)部Flash中。上電由ARM讀取這些參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)來配置芯片,按照規(guī)定輸出電流電壓。

UCD9222具有一個VID接口,VID接口是SmartReflex技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)接口,通過該接口實現(xiàn)對設(shè)備靜態(tài)和動態(tài)功耗的檢測。

UCD9222為PWM波形控制芯片,其本身不提供電源轉(zhuǎn)換功能。為了實現(xiàn)數(shù)字電源的電壓轉(zhuǎn)換,UCD9222必須外接電源轉(zhuǎn)換芯片。TI公司提供專門為UCD9222配套的多款轉(zhuǎn)換芯片,UCD7242為其中一款,可以提供兩路輸出電壓。

UCD9222的硬件電路設(shè)計如圖3所示。圖中,PMBus的4根總線必須連接出來,供UCD9222的軟件設(shè)置使用。UCD9222和UCD7242的連接非常簡單,每路只需要3個引腳,分別為FF-1A、PWM-1A、Isense-1A。其中PWM-1A為PWM電壓控制信號,該波形需要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、工作電流來設(shè)置,設(shè)置的參數(shù)通過PMBus總線寫入到UCD9222中。FF-1A和Isense-1A分別是電壓監(jiān)控和電流監(jiān)控引腳,一旦電壓和電流超過設(shè)定值,UCD9222將關(guān)斷輸出,起到保護電路的作用。如果電壓或者電流低于設(shè)定值(在負載突然增大情況下),UCD9222將提高PWM的占空比,以便提供更大的功率,確保負載電壓不降低,保證系統(tǒng)正常工作。如果系統(tǒng)的負載芯片(例如DSP、FPGA、ARM等)具有VID接口,可以將其VID接口直接連接到UCD9222。因為負載芯片一般為處理器,也具有較強的電壓電流檢測能力,所以負載芯片可以自主將控制參數(shù)通過VID寫入到UCD9222,來主動控制電壓電流的變化。

UCD7242的硬件電路設(shè)計如圖4所示。需要注意的是,由于數(shù)字電源一般都提供給對電壓要求非常高的處理芯片,例如DDR3、高速接口,以及多核處理器等。因此,其電壓輸出引腳要旁通多個不同容值和不同封裝的電容,如圖4中的CVDD和VDD1V0引腳。

根據(jù)圖4中硬件設(shè)計,需要計算負載電容和負載電感。計算公式如下:

式中,VPPQ為輸出的紋波電壓,電路設(shè)計中不大于10mV;I為輸出電流,兩路輸出分別為5A和8 A;fs為開關(guān)頻率,設(shè)計中為750kHz;Vin為12V輸入電壓,Vout為輸出電壓,兩路均為1V。根據(jù)式(1)和(2),計算得到VCC1V0輸出的負載電容和負載電感分別為83.3μF和0.243μH;CV DD輸出的負載電容和負載電感分別為133.3μF和0.152μH。實際電路中,也可以通過修改開關(guān)頻率、負載電容和負載電感來調(diào)節(jié)輸出紋波電壓VPPQ。但式(1)和(2)是UCD7242正常工作曲線,如果紋波設(shè)置低于芯片工作范圍,將不受上式控制。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主要工作就是對UCD9222的參數(shù)進行配置??梢酝ㄟ^PMBus總線直接進行配置,但這需要用戶非常熟悉UCD9222的寄存器設(shè)置。為了方便用戶,TI公司提供了免費的圖形化的配置軟件,用戶下載安裝FusionDigital Power Designer System,并購買USB接口轉(zhuǎn)PMBus接口數(shù)據(jù)線,就可以完成對UCD9222的寄存器設(shè)置、編程、讀寫等所有的工作。軟件設(shè)計完成后,會給出相關(guān)的電壓、電流、相位等曲線圖。圖5為輸出幅頻特性曲線,圖6為輸出相頻特性曲線。圖中設(shè)置參數(shù)為輸入電壓12 V、輸出電壓1 V、輸出電流8 A。

圖5中曲線1為比較補償器輸出的幅頻曲線,可以看出,補償器直接的輸出在各個頻率段反映的幅度不一致,變化很大。圖6中,曲線1,在低頻段(低于1 kHz)具有較好的線性相位關(guān)系,在高于1 kHz后,呈現(xiàn)較大的非線性關(guān)系,而且有很明顯的超調(diào)現(xiàn)象。電壓在各個頻段具有較大的幅度變化,將影響電路中其他器件的性能(如影響A/D轉(zhuǎn)換精度)。電壓在各個頻率段具有非線性相位,也將影響電路中其他器件性能(如影響FIR濾波器的幅頻特性)。

為了解決這些問題,UCD7242使用跟蹤環(huán)路,實時跟蹤曲線1的變化關(guān)系,如圖5、圖6中曲線2所示。從圖中可以看出,曲線2很好地跟蹤上信號的相位變化,幅度變化關(guān)系也可以很好跟蹤上,只是存在一個固定的比例(幅度跟蹤不一致是由跟蹤器和補償器阻抗不一致引起的)。

使用跟蹤后的曲線2對曲線1進行校準(zhǔn)后,得到最終的輸出電壓曲線,如圖5、圖6中的曲線3所示。曲線3就可以看到比較穩(wěn)定的幅度和相位變化關(guān)系。該曲線在大部分頻率段具有較好的直流特性,對系統(tǒng)影響較小,而且自身也具有較好的直流關(guān)系,使得反饋控制更加準(zhǔn)確和快速。

結(jié)語

數(shù)字技術(shù)在電源設(shè)計方面的引入使得數(shù)字電源成為可能,芯片化后的數(shù)字電源設(shè)計方法非常簡單,設(shè)計出的產(chǎn)品具有體積小、價格便宜等優(yōu)點。本文介紹了一種基于TI公司UCD系列數(shù)字電源套片的數(shù)字電源系統(tǒng)設(shè)計方法。該設(shè)計可以提供給多核DSP及高速的DDR3應(yīng)用。在實際應(yīng)用中,達到了預(yù)期的電源設(shè)計目的。

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