智能化數字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計

摘  要：介紹了數字電源系統(tǒng)的主要特點及發(fā)展現(xiàn)狀，簡要分析了組成系統(tǒng)的各類芯片的性能特點及工作原理，重點闡述數字電源系統(tǒng)的電路設計。為實現(xiàn)數字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了具體方案。
關鍵詞：數字電源；數字信號處理器；微控制器；故障管理；過電流保護；數字控制

0 引言
    目前，開關電源正朝著智能化、數字化的方向發(fā)展。最近剛問世的智能數字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良的特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的關注。數字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復雜的電源要求。此外，數字電源還可通過遠程診斷來確保系統(tǒng)長期工作的可靠性，包括故障管理、過電流保護以及避免停機等。

1 數字電源系統(tǒng)的主要特點及發(fā)展現(xiàn)狀
l.1 數字電源系統(tǒng)的主要特點
    數字電源系統(tǒng)具有以下特點。

    1)它是以數字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器(μP或μC)控制的開關電源，一般只是控制電源的啟動和關斷，并非真正意義的數字電源。

    2)采用“整合數字電源”(Fusion Digital Power)技術，實現(xiàn)了開關電源中模擬組件與數字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級所用的模擬組件——MOSFET驅動器，可以很方便地與數字電源控制器相連并實現(xiàn)各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數控模擬芯片。

    3)高集成度，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化(Power system on chip)，將大量的分立式元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

    4)能充分發(fā)揮數字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps(10-12s)的水平，這是傳統(tǒng)開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現(xiàn)多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節(jié)能型開關電源提供了便利條件。

    5)便于構成分布式數字電源系統(tǒng)。

1.2 數字電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
    隨著現(xiàn)代科技事業(yè)的發(fā)展及開關電源市場的需求，在21世紀初國際上開始研制數字電源系統(tǒng)。2005年3月，美國德州儀器公司(TI)宣布推出具有創(chuàng)新型的數字電源產品，不僅能顯著提高電源系統(tǒng)的性能，還可大幅度延長其使用壽命。該公司還展示了Fusjon Digital Powe解決方案，以證明數字電源系統(tǒng)能以極具競爭力的低成本，實現(xiàn)高性能指標及設計靈活性。

    該解決方案包括以下3類芯片：
    1)UCD7K系列數字電源驅動器(含UCD7100和UCD7201)；
    2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220)；
    3)UCD9K系列數字信號處理器(UCD9110／9501)。

    上述芯片已形成系列化產品，于2005年秋季正式銷售。該產品支持包括從AC線路到負載的電源系統(tǒng)，可廣泛用于電信設施、計算機服務器、數據中心電源系統(tǒng)及不間斷電源(UPS)等。

2 數字電源系統(tǒng)的基本構成
2.l 數字電源驅動器
    UCD7100／7201均屬于數字控制電源驅動器芯片，二者的區(qū)別是UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅動MosFET開關功率管，均可適配UCD9110／9501型數字控制器。主控制器可監(jiān)控其輸出電流，快速檢測過流故障并迅速關斷電源，檢測周期僅為25ns。

    現(xiàn)以UCD7100為例，其內部框圖如圖1所示。

    主要包括3．3 v電壓調整器及基準電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關斷電路、控制門、TrueDrive驅動器?！癟rueDrive”(真驅動)為TI公司的專有技術，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優(yōu)點是驅動能力強，在低電壓時也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過壓、欠壓保護，功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極管。UCD7100能在幾百ns的時間內給MOSTFET的柵極提供一個高峰值電流，快速開啟驅動器。UCD7100的高阻抗數字輸入端(IN)能接收3．3v邏輯電平、最高開關頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過電流故障，電流檢測電路就關斷驅動器的輸出，系統(tǒng)可進入重試模式。通過DSP或MCU內部的看門狗電路，能重新啟動芯片。UCD7100內部的3．3 v／lOmA電壓調整器可作為數字控制器的電源。

2．2 PWM控制器
    UCD8220／8620是受DSP，或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區(qū)別是UCD8220可利用48V低壓啟動，UCD8620內部增加了110V高壓啟動電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。

    主要包括3．3v電壓調整器及基準電壓源、脈寬調制器(PWM)、驅動邏輯、推挽式驅動器、欠壓關斷電路、限流電路、電流檢測電路。UCD8220／8620可運行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進行編程，還輸出一個能受主控制器監(jiān)控的極限電流數字標志。UCD8220／8620的時序工作波形如圖3所示。

2．3 數字信號處理器(DSP)
    UCD9501是TI公司專為數字電源系統(tǒng)配套的數字信號處理器，其同類產品還有TMS320F2808，TMS320F2806。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時鐘振蕩器、3個32位定時器、看門狗電路、內部／外部中斷控制器、SCI總線、SPI總線、CAN總線及I C總線接口、l2路PWM信號輸出、系統(tǒng)控制器、16通道12位。ADC、16K×16 Flash、6K×16 SARAM、1K×16ROM。它采用標準的3.3v輸入／輸出接口，與UCD8K系列完全兼容。利用Power PADTM HTSSOP，和QFN軟件包可進行編程。

3 智能化數字電源系統(tǒng)的電路設計
    智能化數字電源系統(tǒng)可由PWM、電源驅動器、DSP、接口電路、顯示器和鍵盤6部分組成。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

    圖中的數字信號處理器UCD9501通過接口芯片與鍵盤和顯示器相連，用戶 不僅能從顯示器上觀察到當前的電源參數，還可通過鍵盤隨時修改電源參數。

    為簡化配置，也可由數字信號處理器(UCD9501)和數字控制電源驅動器(UCD7100)構成智能化數字電源系統(tǒng)，電路如圖5所示。

    交流電壓經過整流濾波后獲得的+36～72 v直流輸入電壓U1，接高頻變壓器的初級繞組；還經過R1、R2分壓后，分別接UCD9501的模擬輸入端AN1及AN2。初級繞組的另一端接功率MOSFET。R3為限流電阻。R4為電流檢測電阻。偏置繞組的輸出電壓通過VD1、C1整流濾波后得到+12v的直流偏壓，接UCD7100的電源端(UDD)。UCD7100輸出的3．3 v電壓為UCD9501提供電源。次級整流濾波電路由VD2、L和C2組成，VD3為續(xù)流二極管，UD為直流輸出電壓。從UCD9501輸出的脈寬調制信號(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的極限電流標志端(CLF)接UCD9501的中斷端(INT)，極限電流設定端(ILIM)接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔離放大器可將輸出級與輸入級進行隔離。

    當UDD=12V，UCD7100的負載電容CLOAD=10nF,開關頻率f=300kHz時，偏置功耗為P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*300kHz=0.432W。偏置電流I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A。

    若采用UCD7201，則可驅動兩只外部功率MOSFET。此外還可用UCD9501和UCD8620組成數字電源系統(tǒng)。

4 結語
    數字電源系統(tǒng)具有高集成度、高性價比、電源管理功能完善、外圍電路簡單、能面向用戶設計等顯著優(yōu)點，為實現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計創(chuàng)造了有利條件。